Definicje pojęć i jednostki stosowane w radiometrii oraz dozymetrii

Mnożnik

Nazwa liczby

 Nazwa liczby w jęz. ang. (w nawiasach odpowiedniki  amerykańskie)

Przedrostek (w nawiasach nazwy ang.)

Symbol

Mnożnik

Nazwa liczby

Nazwa liczby w jęz. ang. (w nawiasach odpowiedniki  amerykańskie)

Przedrostek (w nawiasach nazwy ang.)

Symbol

1024

kwadrylion

Quadrillion (septillion)

jotta (yotta)

Y

10-1

jedna dziesiąta

Tenth

decy (deci)

d

(gr. decimus = dziesiąty)

1021

tryliard

Trilliard, Thousand trillion (sextillion)

zetta

Z

10-2

jedna setna

Hundredth

centy (centi)

c

(łc. centum = sto)

1018

trylion

Trillion (quintillion)

eksa (exa)

E

10-3

jedna tysięczna

Thousandth

milli

m

(łc. mille tysiąc)

1015

biliard

Billiard, Thousand billion (quadrillion)

peta

P

10-6

jedna milionowa

Millionth

mikro (micro)

µ

(gr. mikros = mały)

1012

bilion

Billion (trillion)

tera

T

(gr. teras = potwór)

10-9

jedna miliardowa

Milliardth (Billionth)

nano

n

(gr. nanos = karzeł)

109

miliard

Milliard, Thousand million (Billion)

giga

G

(gr. gigas = olbrzymi)

10-12

jedna bilionowa

Billionth (Trillionth)

piko (pico)

p

106

milion

Million

mega

M

(gr. megas = wielki)

10-15

jedna biliardowa

Billiardth (Quadrillionth)

femto

f

(gr. fempten = piętnaście)

103

tysiąc

Thousand

kilo

k

(gr. khilioi = tysiąc)

10-18

jedna trylionowa

Trillionth (Quintillionth)

atto

a

(greckie atten = osiemnaście)

102

sto

Hundred

hekto (hecto)

h

(gr. hekaton = sto)

10-21

jedna tryliardowa

Trilliardth (Sextillionth)

zepto

z

101

dziesięć

Ten

deka (deca)

da

(gr. deka = dziesięć)

10-24

jedna kwadrylionowa

Quadrillionth (Septillionth)

jokto (yocto)

y

Tabela 1. Przedrostki przed jednostkami fizycznymi w układzie SI.
Więcej o nazwach liczb w odnośnikach metrologia (m.in. skąd się wzięła różnica w nazewnictwie amerykańskim i europejskim oraz podział liczb na klasy).


"Dozymetria obejmuje:

  1. Ustalenie wielkości dawki pochłoniętej w materii w danym punkcie

  2. Ustalenie wielkości energii przekazanej przez cząstki nie jonizujące bezpośrednio (fotony, neutrony) w materiale odniesienia w danym punkcie (np. pomiary ekspozycji lub kermy). Taka wielkość jest wygodnym uproszczonym sposobem opisu promieniowania w tym punkcie. Materiałem odniesienia (dla wyników) może być zarówno rzeczywisty materiał w danym miejscu lub jakiś inny (w tym charakterze używane są np. powietrze, grafit, tkanka)

  3. Ustalenie liczby cząstek lub fotonów, lub ich energii, padających na dany punkt (np. strumień, strumień całkowy, natężenie, strumień całkowy energii)

  4. Ustalenie wartości pewnej funkcji liczby lub energii cząstek lub fotonów padających na ośrodek w danym miejscu (np. iloczyn dawki pochłoniętej i współczynnika jakości promieniowania dla rodzajów promieniowania o różnym LET – liniowym przekazie energii)."

 Jednostka energii promieniowania (E)

elektronowolt, eV

definicja

Energia równa energii uzyskiwanej przez ładunek elementarny (np. elektronu lub protonu) przyspieszony w polu elektrostatycznym o różnicy potencjałów 1 wolta.

często używane wielokrotności

1 keV = 103 eV
1 MeV = 106 eV
1 GeV = 109 eV

stosunek eV do podstawowej jednostki energii J (dżul)

1 eV = 1,602177 × 10-19 J

Tabela 2. Definicja jednostki energii promieniowania.


Stała rozpadu (ang. Decay constant), λ,jest jednym z parametrów charakteryzujących rozpad promieniotwórczy:

gdzie dP jest prawdopodobieństwem, że dane jądro rozpadnie się spontanicznie w przedziale czasu dt.

W przypadku kilku równoległych, niezależnych rodzajów rozpadu danego izotopu wynikowa stała rozpadu jest sumą stałych charakteryzujących poszczególne procesy oddzielnie.

Stała rozpadu ma wymiar czas-1, (s-1), świadczy o prawdopodobieństwie zajścia rozpadu jednego jądra w jednostce czasu (jest równa ułamkowi ogólnej liczby jąder, które podlegają rozpadowi w jednostce czasu).

Ze stałą rozpadu związany jest czas połowicznego zaniku (ang. half-life), τ1/2:

Czas połowicznego zaniku (rozpadu) to średni czas po jakim aktywność (równoznacznie: ilość jąder) danego izotopu promieniotwórczego (radionuklidu) spadnie do połowy swej początkowej wartości.

Ze względów praktycznych często przyjmuje się, że całkowity rozpad danego radionuklidu następuje po czasie równym 5 czasom połowicznego zaniku (tj. gdy aktywność spadnie do poziomu 1/32 aktywności początkowej).

Czas połowicznego zaniku charakteryzuje dany izotop promieniotwórczy niezależnie od czynników zewnętrznych (np. temperatura, ciśnienie, postać chemiczna, stan skupienia itp.), oznaczany jest zazwyczaj τ1/2.

 Jednostką czasu połowicznego rozpadu jest s-1.


Jednostki promieniowania mogą określać:

  1. źródło promieniowania, wówczas mówimy o aktywności źródła;
  2. działanie promieniowania na otoczenie, wówczas mówimy o dawce promieniowania.

Ad. 1 Aktywność (A), (ang. Activity)  -  liczba spontanicznych przemian jądrowych zachodzących w źródle w jednostce czasu.

Aktywność A pewnej ilości nuklidu promieniotwórczego w określonym stanie energetycznym w danej chwili czasu, zdefiniowana jest jako iloraz dN i dt, gdzie dN oznacza wartość oczekiwaną liczby spontanicznych przemian jądrowych z tego stanu energetycznego, zachodzącego w ciągu czasu dt:
 

W układzie SI podstawową jednostką aktywności jest bekerel (Bq). Źródło ma aktywność jednego bekerela, jeżeli w ciągu jednej sekundy następuje w nim jeden rozpad promieniotwórczy.

1 Bq = 1 s-1

Historyczną jednostką aktywności jest kiur (Ci). 1 Ci  stanowi aktywność 1g  226Ra i odpowiada

1 Ci = 3,7·1010 Bq = 37 GBq


Pełne zrozumienie biologicznych efektów wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego i korpuskularnego nie jest obecnie możliwe. Wobec tego opracowano system pomiaru ilości energii przekazywanej do obiektu oraz system oszacowania względnych uszkodzeń, jakie mogą nastąpić na skutek oddziaływania poszczególnych rodzajów promieniowania z materią.

Ad. 2 Dawki promieniowania jonizującego podzielono na 3 zasadnicze rodzaje:

  1. dawkę ekspozycyjna,
  2. dawkę pochłonięta,
  3. równoważnik dawki.

Dwa pierwsze pojęcia wiążą się z fizycznym oddziaływaniem promieniowania z materią, trzecie uwzględnia również oddziaływanie na organizmy żywe.

Skutki działania promieniowania zależą nie tylko od dawki pochłoniętej, czy ekspozycyjnej, ale również i od czasu, w którym ta dawka została dostarczona, dlatego też ważne jest również pojęcie mocy dawki, które określa dawkę przypadającą na jednostkę czasu. Dla każdej z wyżej podanych 3 rodzajów dawek promieniowania możemy zdefiniować odpowiadającą im moc dawki w funkcji czasu.


Ad 2a. Dawka ekspozycyjna, ekspozycja (X), (ang. exposure dose) - suma ładunków elektrycznych jonów jednego znaku wytworzonych w jednostce masy suchego powietrza w warunkach normalnych wskutek jonizacji wywołanej promieniowaniem X lub γ (przenikliwe promieniowanie elektromagnetyczne). Dawka ekspozycyjna jest miarą zdolności jonizacji promieniowania przenikliwego w powietrzu.

Zatem jeżeli pod wpływem promieniowania X lub γ w elemencie objętości powietrza o masie dm powstał ładunek dQ jonów jednego znaku, to dawką ekspozycyjną X nazywamy stosunek:

gdzie dQ jest bezwzględną wartością sumy ładunków jonów jednego znaku wytworzonych w warunkach równowagi elektronowej, tzn. gdy wszystkie jony dodatnie i elektrony wytworzone w elemencie objętości o masie dm w nim pozostają.

Jednostką dawki ekspozycyjnej jest w układzie SI kulomb na kilogram (C/kg).

Rys historyczny

Dawniej jednostką był rentgen (R). Definicja rentgena zmieniała się z biegiem czasu. W 1937 roku ICRU (International Commission on Radiological Units) zmodyfikowała definicję rentgena (ICRU, 1938), która to definicja obowiązuje do dziś. Definiujemy rentgen jako taką wielkość promieniowania X lub γ, które wywoła w 0,001293 g powietrza (1cm3 suchego powietrza w normalnych warunkach) towarzyszącą emisję cząsteczek, które wytworzą w powietrzu jony o całkowitym ładunku 1 j.e.s. (j.e.s. = jednostka elektrostatyczna ładunku) każdego znaku.

3·109 j.e.s. = 1C

Obie jednostki, stara i nowsza, związane są więc ze sobą zależnością:

1 R = 2,58·10-4 C·kg-1=87,8 erg/g

Należy podkreślić, że jednostka ekspozycji rentgen odnosi się tylko do promieniowania X lub γ (a nie promieniowania alfa, beta, neutronowego) i dotyczy tylko fotonów w powietrzu  (i w żadnym innym ośrodku). Ponadto użycie rentgena jest ograniczone do energii fotonów większej od 10 keV i mniejszej od 3 MeV.

Z jednostką dawki ekspozycyjnej związana jest jednostka mocy dawki ekspozycyjnej () - jest to ilość ładunku jednego znaku w jednostce masy suchego powietrza wytworzona wskutek jonizacji promieniowania X lub γ w jednostce czasu, czyli

Jednostka mocy dawki ekspozycyjnej wyrażana jest w A/kg = amper/kilogram (w powietrzu).

W ostatnich czasach dawka ekspozycyjna jest coraz rzadziej wykorzystywana w praktyce dozymetrycznej; zamiast niej używa się pojęcia dawki pochłoniętej.


Ad. 2b. Dawka pochłonięta, (D), (ang. Absorbed dose) - energia promieniowania przenikliwego pochłonięta przez określoną, jednostkową masę materii:

,

gdzie: dE jest średnią energią promieniowania jonizującego przekazaną materii w elemencie objętości o masie dm, czyli jest to energia, jaką traci promieniowanie a pochłania ośrodek, przez który promieniowanie przechodzi, która przypada na jednostkę masy tego ośrodka. Dawka pochłonięta jest miarą pochłaniania promieniowania przez różne materiały.

Jednostką dawki pochłoniętej w układzie SI jest grej (Gy).

1 Gy = 1 J/kg = dżul/kilogram

Przekazana energia promieniowania jonizującego jest zużywana na jonizację, wzbudzenie, wzrost energii chemicznej lub energii sieci krystalicznej, itd., która ostatecznie daje efekt cieplny: wzrost energii wewnętrznej. Z definicji wyklucza się energię zużytą na wzrost masy spoczynkowej lub zamienionej na promieniowanie jonizujące.

Najwygodniej za energię przekazaną materii uważać energię usuniętą z pola promieniowania (z wyłączeniem energii zużytej na wzrost masy spoczynkowej).

ΔED=ΔEE - ΔEL- ΔER  energia przekazana małej objętości ΔV
ΔE- energia wchodząca do objętości ΔV
ΔEL - energia wychodząca z objętości ΔV
ΔER - energia zamieniona w masę spoczynkową w ΔV
Δm - masa zawarta w ΔV
wówczas dawkę pochłoniętą określimy jako

Przykład: pochłonięcie 1 Gy w węglu odpowiada 2·1011 kwantów gamma (γ) o energii 1 MeV.

Rys historyczny

W 1950 roku ICRU zaleciła (ICRU, 1951), żeby:

"W celu umożliwienia korelacji dawki jakiegokolwiek promieniowania jonizującego z jego efektami biologicznymi lub pokrewnymi, ICRU zaleca, by dawkę wyrażać za pomocą wielkości energii pochłoniętej przez jednostkę masy (erg na gram) napromieniowanego materiału w danym miejscu."

Na tej podstawie (ICRU, 1954) stworzono definicje wielkości dawki pochłoniętej.

"Dawka pochłonięta dowolnego promieniowania jonizującego jest ilością energii dostarczonej substancji przez cząstki jonizujące, przypadającej na jednostkę masy napromieniowanego materiału w danym miejscu. Wyraża się ją w radach. Rad jest jednostką dawki pochłoniętej i wynosi

1 rad = 100 erg/1g ."

W starszych publikacjach można się jeszcze spotkać z jednostką rad (rad, czasami też oznaczany jako rd). Obecnie definiujemy, że 1 rad jest to dawka wytwarzana przez promieniowanie przenikliwe dostarczające 1 kg substancji energię równą 0,01 J. Nazwa rad jest skrótem terminu "roentgen absorption dose", tj. dawki rentgena pochłoniętej. Rad jest związany z grejem równaniem:

1 rad = 100 erg/g = 0,01 Gy

Rad (i grej) jest jednostką intensywną (podobnie jak stężenie molowe), niezależną od wielkości próbki roztworu; zatem jeśli jednolicie wystawimy na ekspozycje promieniowania całe ciało liczba radów będzie taka sama niezależnie od tego czy mówimy o pojedynczej komórce, organie, czy całym ciele (podobnie jak stężenie soli NaCl w morzu, jest takie samo niezależnie od tego czy bierzemy pod uwagę łyżkę morskiej wody, kubek, beczkę, czy całą cysternę, a nawet (w pewnym uproszczeniu) całe morze).

Dawkę pochłoniętą w jednostce czasu nazywa się mocą dawki (), czyli inaczej jest to energia promieniowania jonizującego pochłonięta przez określoną, jednostkową masę materii w jednostce czasu:

Jednostką mocy dawki pochłonietej jest:

Gy/s = grej/sekunda

1 Gy/s= W/kg = wat/kilogram

W starych jednostkach moc dawki pochłoniętej była wyrażana zazwyczaj w radach na godzinę.

Moc dawki na poziomie 2 mGy/rok (0,2 rad/rok) jest typowa dla tła naturalnego. W terapii nowotworowej chora tkanka zabijana jest dawką (aplikowaną miejscowo) 0,1 kGy (10 krad ), dawki pochłonięte niszczące strukturę materiałów są rzędu od dziesiątek MGy (Grad ) do dziesiątek GGy (Trad).

W przypadku organizmów żywych bardziej adekwatnym pojęciem niż dawka pochłonięta jest równoważnik dawki, który jest szczególnie użyteczny dla celów ochrony radiologicznej.


Ad. 2c. Równoważnik dawki (nazwa zalecana od 1991 r. wg publikacji ICRP 60), dawka równoważna (starsze pojęcie z 1977 r. wg publikacji ICRP 26), biologiczny równoważnik dawki (HT), (ang. equivalent dose (ICRP 60), dose equivalent (ICRP 26)) jest to dawka pochłonięta w danej tkance lub narządzie T z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania R. Dawka równoważna określona jest równaniem::
 

HT,R = wRDT,R ,
 

gdzie:
DT,R oznacza średnią dawkę pochłoniętą promieniowania R w tkance lub narządzie T.
wR oznacza współczynnik wagowy promieniowania R (jest to czynnik jakości promieniowania zależny od rodzaju i energii promieniowania; uwzględnia wielkość niszczącego wpływu biologicznego na tkankę promieniowania określonego rodzaju; w przeszłości (ICRP 26 z 1977 r.) posługiwano się współczynnikiem Q (ang. quality factor); wartość tego współczynnika może być nieco różna w różnych krajach w zależności od arbitralnych regulacji prawnych w danym kraju).
 

Wartości wR dla rodzajów promieniowania i zakresów energii

Fotony (promieniowanie X, promieniowanie γ) wszystkie energie

1

Elektrony (promieniowanie β) i miony wszystkie energie

1

Neutrony, energie < 10 keV

5

Neutrony, energie > 10 keV do 100 keV

10

Neutrony, energie > 100 keV do 2 MeV

20

Neutrony, energie > 2 MeV do 20 MeV

10

Neutrony, energie > 20 MeV

5

Protony, z wyłączeniem protonów odrzutu, energie > 2 MeV

5

Cząstki alfa, fragmenty rozszczepienia, ciężkie jądra (jony)

20

Tabela 3. Wartości wR dla rodzajów promieniowania i zakresów energii zalecana przez ICRP 60 (International Commission on Radiological Protection publication 60).

Promieniowanie w postaci cząstek powoduje większe uszkodzenia w tkance biologicznej, niż promieniowanie fal elektromagnetycznych w odniesieniu do takiej samej porcji energii zaabsorbowanej przez materiał biologiczny. Generalnie promieniowanie bardziej przenikliwe zwykle jest równocześnie mniej jonizujące, zatem zdolność do jonizacji rośnie, a przenikliwość maleje w szeregu γ, X, β, α (oczywiście dokładne zdolności co do jonizacji i przenikliwości będą też zależały od energii, jaką ze sobą niosą dane cząstki lub promieniowanie elektromagnetyczne). Wynika z tego, że promieniowanie alfa (jądra helu) chociaż mało przenikliwe (zatrzymywane przez kartkę papieru) będzie bardzo szkodliwe w przypadku dostania się do wnętrza organizmu lub ew. bezpośrednio na skórę.

Jeśli pole promieniowania składa się z różnych rodzajów promieniowania o różnych energiach, którym odpowiadają różne współczynniki wagowe wR, to całkowity równoważnik dawki HT jest dana jako:
 

 
 

Jednostką dawki równoważnej w układzie SI jest siwert (Sv). Jeden siwert odpowiada jednemu dżulowi na kilogram:

1Sv = 1 J/kg= dżul/kilogram

Rys historyczny

W 1956 ICRU zdefiniowała nową wielkość mającą zastosowanie w badaniach oddziaływania promieniowania jonizującego na żywe organizmy (tkanki) – równoważnik dawki.

"."

WSB (względna skuteczność biologiczna) – RBE (relative biological effectiveness)

WSB danego promieniowania jest odwrotnością stosunku dawki pochłoniętej tego promieniowania do dawki pochłoniętej promieniowania odniesienia potrzebnej do wywołania takiego samego skutku biologicznego.

Jeżeli dawka pewnego promieniowania Dx wywołuje taki sam skutek biologiczny jak dawka promieniowania odniesienia Do, to względna skuteczność biologiczna tego promieniowania wynosi

Dawniej używaną jednostką równoważnika dawki był rem (röntgen equivalent for man). 1 rem = 0,01 Sv

W 1991 r. ICRP (International Commission on Radiological Protection) w publikacji nr 60 wprowadziła zmiany w stosunku do wcześniejszych swoich zaleceń z publikacji nr 26 z 1977 r. zamieniając m.in. pojęcie dawki równoważnej na równoważnik dawki i współczynnik Q na współczynnik wR . Niektóre inne zmiany zobrazowano w Tabeli 4. Równoważnik dawki (HT) jest pod względem koncepcyjnym różny od dawki równoważnej (H). Dawka równoważna (H) opiera się na pochłoniętej dawce promieniowania w „punkcie” tkanki i jest ważona przez rozkład współczynników Q (quality factors), które odnoszą się do rozkładu LET (linear energy transfer) promieniowania w punkcie. Równoważnik dawki opiera się z kolei na średniej pochłoniętej dawce promieniowania w tkance lub narządzie (DT) ważone współczynnikiem wagowym promieniowania (wR) dla promieniowania zewnętrznego kolidującego z organizmem lub w przypadku emiterów wewnętrznych (znajdujących się w organizmie) promieniowania emitowanego przez źródło. Zatem równoważnik dawki jest rezultatem średniej pochłoniętej dawki (DT,R) w tkance lub narządzie (T) z powodu promieniowania (R) i współczynnika promieniowania (wR) dla każdego promieniowania będącego przedmiotem rozważań.

ICRP 26

ICRP 60

Dawka równoważna

Równoważnik dawki

Modyfikujący współczynnik N

Zaniechanie używania współczynnika N

Współczynnik Q (quality factor) odniesiony do LET (linerar energy transfer) w tkance wystawionej na działanie promieniowania

Współczynnik wagowy promieniowania wR odniesiony do RBE (relative biological effectiveness) pola promieniowania

Współczynnik wagowy tkanek odniesiony do oddziaływań stochastycznych

Poprawione wartości współczynnika wagowego i uzupełnione narządy w oparciu o dane doświadczalne

Skuteczna dawka równoważna

Dawka skuteczna

Ograniczony pomiar uszczerbku spowodowanego promieniowaniem

Szersze ujęcie pomiaru uszczerbku spowodowanego promieniowaniem

Tabela 4. Niektóre różnice w pojęciach związanych z dozymetrią pomiędzy zaleceniami starszej publikacji ICRP 26 (1977 r.), a nowszej ICRP 60 (1991 r.).

Jednostka 1Sv dowolnego promieniowania jądrowego odpowiada takiej dawce pochłoniętej przez organizm, która wywołuje w nim skutek biologiczny taki, jak dawka pochłonięta równa 1Gy promieniowania X lub gamma, dla których wR=1. Nie wszystkie organy i narządy są jednakowo wrażliwe na promieniowanie. Wymaga to stosowania odpowiednich poprawek przy prawidłowym obliczaniu dawki. Dodatkowe poprawki należy uwzględniać również w przypadku wewnętrznych skażeń promieniotwórczych, które rozmieszczają się w organizmie w sposób niejednorodny. W przypadku napromieniowania pochodzącego od różnych cząstek, dawka całkowita jest sumą dawek wyrażonych w sivertach. Przy napromieniowaniu mającym miejsce w dłuższym okresie czasu należy posługiwać się pojęciem mocy równoważnika dawki,  którą wyraża się w Sv/h lub w starszych jednostkach rem/h.


Moc równoważnika dawki ():

jest to równoważnik dawki pochłonięty w jednostce czasu. Najczęściej przyjmuje się wartość dla całego ciała, przy napromienianiu zewnętrznym określonym rodzajem promieniowania, w związku z przebywaniem w miejscu występowania promieniowania. Pomiar mocy dawki służy określeniu dopuszczalnego czasu przebywania w takim miejscu.

Jednostką mocy równoważnika dawki () jest siwert/sekunda, Sv/s.

1 Sv/s = W/kg = wat/kilogram

Szkodliwe następstwa promieniowania zależą także od tego, czy napromienieniu poddane zostało całe ciało, czy konkretne narządy.

Przy napromienieniu całego ciała lub kilku narządów posługujemy się pojęciem dawki skutecznej.


Dawka skuteczna, dawka efektywna (dawna nazwa: skuteczna dawka równoważna), (EH), (ang. Effective dose), suma wszystkich dawek równoważnych od napromieniowania zewnętrznego i wewnętrznego we wszystkich tkankach i narządach wymienionych w Tabeli 5. z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych narządów lub tkanek, obrazująca narażenie całego ciała, zdefiniowana  wyrażeniem:
  

Sumowanie przeprowadza się po rodzajach pochłoniętego promieniowania i po rodzajach napromienionych tkanek.

DT,R oznacza dawkę pochłoniętą od promieniowania R, uśrednioną w tkance lub narządzie T;
wR oznacza współczynnik wagowy promieniowania R;
wT jest współczynnikiem wagowym narządu lub tkanki T (współczynnik określający wrażliwość tkanki lub narządu T na promieniowanie; wartość tego współczynnika może być nieco różna w różnych krajach w zależności od arbitralnych regulacji prawnych w danym kraju).
Jednostką dawki skutecznej jest siwert (Sv).

Zalecana wartość graniczna dawki skutecznej powyżej naturalnego tła promieniowania dla całego ciała dla ogółu ludności (z wyłączeniem osób zawodowo narażonych na napromieniowanie, ktorzy mają odrębne normy w pracy) jest ustalona na 1 mSv/rok. Jest to poziom ponad dwukrotnie niższy od naturalnej dawki w Polsce i blisko 500 razy niższy od naturalnych dawek otrzymywanych przez ludność Iranu.

Zalecana godzinna wartość graniczna dawki skutecznej dla ogółu ludności wynosi 0,02 mSv/h (ze źródeł zewnętrznych, na obszarach ogólnodostępnych).

 Dawka skuteczna obrazuje całkowite narażenie organizmu przy nierównomiernym naświetleniu narządów lub tkanek.

 Wartości współczynnika wagowego wT dla tkanek człowieka

Gonady

0,20

Czerwony szpik kostny, jelito grube, płuca, żołądek

0,12

Pęcherz moczowy, gruczoły piersiowe, wątroba, przełyk, tarczyca

0,05

Skóra, powierzchnia kości

0,01

Pozostałe

0,05

Tabela 5.  Wartości współczynnika wagowego wT dla tkanek człowieka zalecana przez ICRP 60 (International Commission on Radiological Protection publication 60).

W przypadku dostania się radionuklidów do wnętrza organizmu, zaabsorbowane radionuklidy są w dalszym ciągu źródłem dawki promieniowania (do czasu ich rozpadu bądź usunięcia z organizmu), nawet gdy już żadne nowe porcje radionuklidów nie dostają się do wnętrza organizmu. W celu oszacowania tego rodzaju zagrożenia wprowadzono pojęcie równoważnej dawki obciążającej i skutecznej dawki obciążającej.


Równoważna dawka obciążająca  HT(τ): (ang. Committed equivalent dose) - całka względem czasu t z mocy dawki równoważnej w tkance lub w narządzie T otrzymanej w wyniku wniknięcia do organizmu substancji promieniotwórczej, zdefiniowana jako:

dla wniknięcia w chwili t0, gdzie
oznacza moc dawki równoważnej w narządzie lub w tkance T w chwili t;
t oznacza okres objęty całkowaniem.
Przy wyznaczaniu HT(τ),τ jest podane w latach. Jeżeli wartość τ nie jest podana, to zakłada się, że wynosi ona 50 lat dla dorosłych pracujących w zagrożeniu promieniowaniem oraz 70 lat dla reszty populacji.
Jednostką równoważnej dawki obciążającej jest siwert (Sv)


Skuteczna dawka obciążająca, (dawniej skuteczna równoważna dawka obciążająca)  EH(τ): (ang. Committed effective dose) suma równoważnych dawek obciążających HT(τ) w pojedynczych narządach lub tkankach, będąca wynikiem wniknięcia substancji promieniotwórczych od organizmu, przy czym każdy składnik sumy jest pomnożony przez odpowiedni współczynnik wagowy tkanki wT. Jest to wielkość zdefiniowana jako:

Przy wyznaczaniu E(τ) wielkość τ oznacza liczbę lat okresu objętego całkowaniem. τ wynosi 50 lat dla pracowników pracujących z materiałami promieniotwórczymi i 70 lat dla ogółu populacji. Jednostką skutecznej dawki obciążającej jest siwert (Sv) .

Skuteczna dawka obciążająca obrazuje napromienienie tkanki z wielu źródeł wewnętrznych po wchłonięciu do organizmu substancji promieniotwórczych w określonym czasie.


Kerma K (Kinetic Energy Released per unit Mass) jest zdefiniowana jako:

gdzie dEtr jest sumą początkowych energii kinetycznych wszystkich naładowanych cząstek uwolnionych przez nienaładowane cząstki w masie dm. Ośrodek powinien zawsze zostać określony.

Kerma opisuje energię zdeponowaną przez naładowane cząstki uwolnione poprzez promieniowanie powodujące jonizację pośrednio takie jak fotony i neutrony. 

Jednostką kermy jest grej (Gy) = J kg-1


Wielkość

Jednostki i ich symbole

Przelicznik

Obecnie używane (układ SI)

Dawne (układ CGS i pozaukładowe)

Energia

dżul

J

erg

erg

1 erg = 10-7 J

Aktywność

bekerel

Bq

kiur

Ci

1 Ci = 3,7×1010 Bq = 37 GBq

Dawka ekspozycyjna

kulomb na kilogram

C/kg

rentgen

R

1 R = 2,58·10-4 C·kg-1=87,8 erg/g

Dawka pochłonięta

grej

Gy

rad

rad lub rd

1 rad = 0,01 Gy = 100 erg/g

Równoważnik dawki

siwert

Sv

rem

rem

1 rem = 0,01 Sv

Moc dawki ekspozycyjnej

amper na kilogram

A/kg

rentgen na godzinę

R/h

 

Moc dawki pochłoniętej

grej na sekundę

Gy/s

rad na godzinę

rd/h

 

Tabela 6. Wybrane wielkości dozymetryczne, ich jednostki i przeliczniki.

Omówiono w niniejszym artykule tylko wybrane wielkości związane z dozymetria. ICRU definiuje również m.in. takie wielkości dozymetryczne jak fluencja cząstek, fluencja energii, gęstość strumienia cząstek, natężenie, moc kermy, masowy współczynnik osłabienia, masowy współczynnik przekazu energii, liniowy przekaz energii, średnia praca jonizacji, stała jonizacyjna (dla promieni gamma) i in.

 Podsumowując "dawka ekspozycyjna jest miarą jonizacji powietrza przez promieniowanie X i γ, zaś dawka pochłonięta jest miarą pochłaniania energii promieniowania przez ośrodek, w którym promieniowanie się rozchodzi. Znając dawkę ekspozycyjną i wiedząc, że na utworzenie jednej pary jonów potrzeba 34eV można obliczyć energię, jaka - w wyniku jonizacji - została pochłonięta w powietrzu, czyli dawkę pochłoniętą. W ten sposób obliczono, że dawce ekspozycyjnej równej 1 rentgen odpowiada dawka pochłonięta w powietrzu 0,87 cGy" (0,87 rad) i 0,95 cGy (0,95 rad) w tkance mięśniowej.
"Z kolei równoważnik dawki jest to iloczyn dawki pochłoniętej w tkance i współczynnika jakości promieniowania. Z fizycznego punktu widzenia dobrym modelem tkanki jest woda. Znając energię pochłoniętą w powietrzu, można obliczyć energię pochłoniętą w wodzie. Zatem dawce ekspozycyjnej 1 R odpowiada dawka pochłonięta 0,87·1,13=1cGy, a jej z kolei równoważnik dawki 1 rem =10 mSv. Dawce pochłoniętej w powietrzu 0,087 cGy odpowiada równoważnik dawki 1 mSv."

W bardzo dużym przybliżeniu dla źródeł promieniowania beta, gamma i X można niejednokrotnie przyjąć, że 1R ≈ 1 rad ≈ 1 rem = 10 mSv


Skutki biologiczne oddziaływania promieniowania

"U podstaw szkodliwego oddziaływania promieniowania jądrowego na organizm ludzki leżą procesy jonizacji zachodzące w komórkach organizmu pod wpływem promieniowania. Cząstki naładowane oddziaływując z tkankami organizmu, powodują jonizację bezpośrednio, natomiast cząstki nienaładowane (neutrony, kwanty gamma) w wyniku oddziaływania powodują powstanie cząstek naładowanych (p, e), które następnie wywołują jonizację. Neutrony szybkie powodują powstanie w substancji protonów, a neutrony termiczne wywołują w substancji reakcje jądrowe, w wyniku których powstają fotony, cząstki naładowane i jądra promieniotwórcze. Jonizacja może naruszać istotną strukturę komórki lub może oddziaływać pośrednio poprzez reakcje chemiczne, które zapoczątkowuje. W drugim przypadku podstawowe znaczenie ma zapoczątkowane przez jonizację zjawisko radiolizy wody  (zawartość wody w organizmie człowieka wynosi około 70%)  prowadzące do pojawienia się wysoce aktywnych chemicznych rodników  i . Ich obecność może spowodować zaburzenia przemian metabolicznych organizmu (czynności enzymatycznych, syntezy białek itp.). Komórka reaguje na promieniowanie różnie w różnych okresach swego rozwoju, najłatwiej ulegając uszkodzeniu we wczesnych fazach."

Istnieje pojęcie toksyczności określonego typu cząstki radioaktywnej. Toksyczność takiej cząstki wzrasta z liniowym przekazem energii, LPE i tym większa, im więcej par jonów produkuje ona na danym odcinku swojej drogi w ciele. Nawet jeśli dwa różne rodzaje cząstek naładowanych wytwarzają te same dawki w radach, to mogą one mieć różne radiotoksyczności jeśli ich LPE są różne, gdyż  toksyczność zależy od rozkładu jonizacji wzdłuż trajektorii cząstek. Współczynnik wagowy promieniowania wR  stosowany w definicji równoważnika dawki zazwyczaj wzrasta ze wzrostem LPE, stąd Sv (dawniej rem) jest jednostką uwzględniającą stopień toksyczności promieniowania.

  Można wyróżnić trzy rodzaje efektów działania biologicznego promieniowania:

  1. "Efekty somatyczne - polegają na uszkadzaniu radiacyjnym komórek podtrzymujących procesy życiowe; mogą one przejawiać się wprost w ciele napromieniowanego osobnika po kilku minutach lub tygodniach, a nawet później - po latach. Związane są one z pewną progową liczbą aktów jonizacji, powyżej której komórka nie jest już zdolna do regeneracji. Największą rolę odgrywają tutaj ciężkie cząstki naładowane.
  2. Efekty genetyczne - występują przy uszkodzeniach komórek odpowiedzialnych za przekazywanie cech dziedzicznych; przejawiają się one statystycznie w całej populacji.
  3. Efekty spowodowane uszkodzeniami radiacyjnymi płodu - uszkodzają embrion we wczesnym stadium rozwoju; wskutek takich uszkodzeń mogą pojawiać się różne zwyrodnienia organizmów."

Większość efektów popromiennych u istot żywych ujawnia się dopiero po pewnym czasie, tzw. okresie utajenia.

"W przypadku komórek somatycznych działają mechanizmy naprawcze, po pewnym czasie uszkodzone cząsteczki mogą zostać usunięte i zastąpione nową cząsteczką. Natomiast fatalne konsekwencje są w przypadku komórek rozrodczych, skutki modyfikacji są utrwalone, nieodwracalne."

Ponadto wyróżniamy skutki stochastyczne i niestochastyczne promieniowania:

Skutki stochastyczne są skutkami, które pojawiają się na zasadzie przypadkowej i są niezależne od wielkości dawki. Skutek stochastyczny typowo nie ma określonego progu i jest oparty na prawdopodobieństwie, z szansami pojawienia się skutku wraz ze zwiększaniem dawki. Skutkiem stochastycznym oddziaływania promieniowania są nowotwory.

Skutki niestochastyczne są skutkami, które mogą być odniesione bezpośrednio do otrzymanej dawki. Skutek jest bardziej ciężki, gdy dawka jest większa, czyli. oparzenia popromienne są cięższe wraz ze zwiększaniem dawki. Zwykle określa się próg poniżej którego dany skutek nie występuje. Poparzenie skóry wywołane promieniowaniem jest skutkiem niestochastycznym.

energia

MeV

protony

Rp(E), cm

neutrony

ln(E), cm

elektrony

Re(E), cm

fotony

1/µ, cm

0,1

0,3

1,0

3,0

10,0

30,0

0,00017

0,00060

0,0029

0,016

0,14

1,2

0,83

1,7

4,2

6,7

17

33

0,014

0,083

0,43

1,47

4,9

13,2

39

32

33

44

65

-

Tabela 7. Zasięgi promieniowania w tkance. Dla neutronów podano wartość średniej drogi swobodnej między kolejnymi oddziaływaniami. Wielkość 1/µ dla fotonów ma podobny sens.

"Całkowita dawka zakumulowana w okresie pracy przez pracownika mającego N lat narażonego na wpływ promieniowania jonizującego nie powinna przekroczyć w całym ciele wartości równej:

HT = 5 ( N - 18 )

Odpowiada to rocznemu przyrostowi dawki 0,05 Sv. Dla porównania warto dodać, że od promieniowania kosmicznego i naturalnego promieniowania skorupy ziemskiej organizm człowieka zwykle otrzymuje roczną dawkę od 2 do 4 mSv." Średnio na mieszkańca Ziemi wynosi ona 2,4 mSv rocznie.

Organizm

Wirusy

Ameba

Osa

Wąż

Ślimak

Nietoperz

Szczur

Człowiek

Pies

Dawka [Gy]

1000

1000

1000

800

200

150

8

5

2,6

Tabela 8. Dawki pochłonięte powodujące śmierć 50% napromieniowanych organizmów w ciągu 30 dni. 

Równoważnik dawki

Skutek biologiczny

0 - 0,25 Sv

Brak objawów.

0,25 - 0,50 Sv

Zmiany obrazu morfologicznego krwi.

0,50 - 1,0 Sv

Słabe objawy chorobowe, zmiany w krwi, możliwość wystąpienia skutków w późniejszym okresie.

1,0 - 2,0 Sv

Objawy chorobowe, bóle głowy, mdłości, osłabienie.

2,0 - 3,0 Sv

Ciężkie objawy kliniczne, śmiertelność w 25% przypadków.

3,0 - 5,0 Sv

Choroba popromienna. Śmiertelność w 50% przypadków.

5,0 - 7,0 Sv

Uszkodzenia szpiku i organów wewnętrznych. Śmiertelność 100% do kilkudziesięciu dni.

Tabela 9.  Biologiczne równoważniki dawki i odpowiadające im skutki wywołane przy jednorazowym napromieniowaniu całego ciała.

"Napromieniowanie miejscowe stosunkowo dużymi dawkami jest mniej niebezpieczne niż napromieniowanie całego organizmu. Podobnie napromieniowanie mające miejsce w ciągu długiego czasu jest mniej szkodliwe niż napromieniowanie jednorazowe tą samą dawką.

Podstawowe zasady ochrony radiologicznej

 Skutki wywołane promieniowaniem jonizującym są tym mniejsze im:

W ochronie radiologicznej ważną zasadą jest zasada ALARA, (As Low As Reasonably Achievable), która mówi o tym, że należy poczynić wszelkie niezbędne rozsądne kroki, aby utrzymać ekspozycję na promieniowanie daleko poniżej limitów.


Źródła promieniowania dla ogółu populacji

Promieniowanie tła

Część rocznej ekspozycji na promieniowanie pochodzi z promieniowania tła, na które składają się:

"Na początku lat 60-tych w Polsce roczna dawka promieniowania jonizującego ze źródeł naturalnych, promieniowania działającego na gonady, określana była na 0,8 do 1,8 mSv ( Z. Jaworowski: Radioaktywność a zdrowie ludzkie. PWN, Warszawa,1964). Na powyższą dawkę składało się oddziaływanie promieniowania kosmicznego (0,23 -  0,73 mSv/a), promieniowanie podłoża (0,25 - 0,75 mSv/a) oraz inkorporacja poprzez produkty spożywcze i powietrze atmosferyczne - promieniowania potasu K-40 (19 mSv/a), węgla C-14 (12,7 mSv/a) oraz radu Ra-226 (0,07 mSv/a). Według danych statystycznych [Ochrona Środowiska. Dział 6. Promieniowanie jonizujące. Hałas. GUS, Warszawa, 1994.] średnia wartość efektywnego równoważnika dawki promieniowania, otrzymywanego przez mieszkańców Polski w roku 1992, wynosiła 3,6 mSv/a. Składowe dawki promieniowania przedstawia Tabela 10. Uwagę zwraca wysoka dawka promieniowania wewnątrz budynków (1,58 mSv/a) powodowana głównie przez radon-222 i jego pochodne (Po-218, Po-214, Pb-210, Bi-210 i Po-210), których źródłem są materiały budowlane oraz gaz ziemny i woda."

Składowe promieniowania

Średnie dawki mSv/rok na osobę

Udział procentowy %

promieniowanie kosmiczne

0,29

8,0

promieniowanie gamma z podłoża

0,04

1,1

promieniowanie radonu-220 i radonu-222 oraz ich pochodnych na wolnym powietrzu

0,08

2,2

opad promieniotwórczy po wybuchach jądrowych i po katastrofie czernobylskiej

0,021

0,6

promieniowanie gamma w budynkach

0,38

10,6

promieniowanie radonu-220 i radonu-222 oraz ich pochodnych, w powietrzu wewnątrz budynków

1,58

43,9

radionuklidy inkorporowane (bez radonu)

0,409

11,4

diagnostyka rentgenowska i badania in vivo

0,78

21,7

zagrożenia zawodowe w górnictwie

0,016

0,4

inne (przedmioty powszechnego użytku)

0,005

0,1

razem

3,601

100,0

 Tabela 10. Wartości średnich rocznych dawek skutecznych w roku 1992 [Ochrona Środowiska. Dział 6. Promieniowanie jonizujące. Hałas. GUS, Warszawa, 1994.]

Kraj

Wartość dawki [mSv]

Wielka Brytania

0,2

Hiszpania

0,8

Polska

1,7

Tabela 11. Wartość średniej rocznej dawki skutecznej otrzymanej przez jednego mieszkańca z tytułu stosowania diagnostyki rentgenowskiej (w źródle nie podano daty z jakiej pochodzą te dane, wg danych z Tabeli 10. diagnostyka rentgenowska w Polsce jest źródłem 0,78 mSv).

Izotop

238U

234U

232Th

230Th

228Th

226Ra

210Pb

210Po

Roczne wchłonięcie [Bq] 

6,12+-0,53

8,37+-2,34

1,09+-0,13

1,74+-0,34

4,92+-1,12

18,6+-1,48

43,4+-7,81

44,0+-11,3

Tabela 12. Średnie roczne wchłonięcia z pożywieniem naturalnych izotopów promieniotwórczych.

"Po awarii czarnobylskiej szczególną uwagę zwrócono na izotopy promieniotwórcze cezu. W pierwszym roku po awarii w rejonie północno-wschodniej Polski roczne wchłonięcie 137Cs ocenione na podstawie analizy produktów żywnościowych wynosiło około 8000 Bq, natomiast 134Cs - około 3000 Bq . Badania kontynuowano do roku 1992. W tym czasie wchłonięcia zmniejszały się wykładniczo, półokres dla 137Cs wynosił 1,72 lat, a dla 134Cs - 0,97 lat. Według ocen przeprowadzonych w roku 1993, średnia roczna podaż 137Cs wynosiła 518 Bq i pozostawała na podobnym poziomie do 1998 roku .

Na podstawie średnich rocznych wchłonięć izotopów naturalnych przez dorosłych mieszkańców Polski obliczono roczne dawki skuteczne. Do obliczeń zastosowano współczynniki konwersji, określające dawkę pochodzącą od jednostkowego wchłonięcia radionuklidu drogą pokarmową podaną w Publikacji 67 ICRP (1994) oraz w Publikacji 69 ICRP [1995] (Tabela 13.). Roczna dawka skuteczna od omawianych naturalnych izotopów promieniotwórczych wynosi 90,0 µSv. Dawka ta jest prawie dwukrotnie większa od dawki od 40K obecnego w ciele osób dorosłych (165 µSv) i jest ona porównywalna z dawką od 134,137Cs w pierwszym roku po awarii czarnobylskiej."

Izotop

238U

234U

232Th

230Th

228Th

226Ra

210Pb

210Po

Suma

Dawka skuteczna[µSv]

0,28+-0,02

0,42+-0,12

0,25+-0,03

0,37+-0,07

0,35+-0,08

5,20+-0,418

30,4+-5,47

52,8+-13,6

90,0+-14,6

Tabela 13. Średnie roczne dawki skuteczne od naturalnych izotopów promieniotwórczych pobieranych z pożywieniem przez dorosłych mieszkańców Polski, .

skały

Uran [g/t]

Tor [g/t]

Th/U

granity

3

17

5,7

bazalty

1

3

3

piaski kwarcowe

0,45

1,7

4

wapienie

2,2

1,7

1

iły

1,8

13

7,2

piaski wzbogacone w minerały ciężkie

2

60

30

fosforyty

100 - 200
max. 650

50

0,25 – 0,5

Tabela 14. Stężenia radionuklidów ciężkich w skałach (wartości średnie) Polański, Smulikowski: Geochemia, PWN, Warszawa, 1969

W ciągu 70 lat życia średnia życiowa dawki naturalna promieniowania wynosi 168 mSv. W niektórych regionach świata dawka znacznie odbiega od średniej, w Norwegii średnia dawka życiowa wynosi 365 mSv (w niektórych Regionach Norwegii  1500 mSv), w Finlandii 525 mSv, w stanie Kerala w Indiach 2000 mSv, w Iranie poziom promieniowania naturalnego przekracza 3000 mSv w ciągu 70 lat, a w mieście Ramsar grupa mieszkańców otrzymuje średnią naturalną dawkę życiową promieniowania wynoszącą 17000 mSv. Jednakże mieszkańcy ci nie wykazują zwiększonej zachorowalności na nowotwory i inne dolegliwości, a niektórzy osiągnęli wiek 110 lat – patrz hipoteza hormezy radiacyjnej.

Andrzej Kasperowicz
mineraly.listowner+1@gmail.com

05-09-2003

Literatura

Powrót do strony głównej