Дозиметрия
Дозиметрия радиации в области физики здравоохранения и радиационной защиты — это измерение, расчет и оценка дозы ионизирующего излучения, поглощенной объектом, обычно организмом человека. Это касается как внутреннего воздействия в результате попадания в организм или вдыхания радиоактивных веществ, так и внешнего воздействия в результате облучения источниками радиации.
Оценка внутренней дозиметрии основана на различных методах мониторинга, биоанализа или радиационной визуализации, тогда как внешняя дозиметрия основана на измерениях с помощью дозиметра или выводится из измерений, выполненных другими приборами радиологической защиты . [1]
Радиационная дозиметрия широко используется для радиационной защиты; обычно применяется для мониторинга профессионального радиационного контроля работников там, где ожидается облучение или где радиация является неожиданной, например, при локализации последствий инцидентов с радиологическим выбросом на Три-Майл-Айленде , Чернобыле или Фукусиме . Полученная населением доза измеряется и рассчитывается на основе различных показателей, таких как измерения гамма-излучения в окружающей среде, мониторинг радиоактивных частиц и измерение уровней радиоактивного загрязнения .
необходимая поглощенная доза Другими важными областями радиационной дозиметрии являются медицина, где контролируется лечения и любая сопутствующая поглощенная доза, а также окружающая среда, например, мониторинг радона в зданиях.
Измерение дозы радиации
[ редактировать ]Внешняя доза
[ редактировать ]Существует несколько способов измерения поглощенных доз ионизирующего излучения. Люди, находящиеся в профессиональном контакте с радиоактивными веществами или подвергающиеся радиационному воздействию, обычно имеют при себе индивидуальные дозиметры . Они специально предназначены для записи и указания полученной дозы. Традиционно это были медальоны, прикрепленные к верхней одежде контролируемого человека, в которых содержалась фотопленка, известная как пленочные дозиметры . Они были в значительной степени заменены другими устройствами, такими как значки термолюминесцентной дозиметрии (TLD), оптически стимулированной люминесценции (OSL) или флуоресцентного ядерного детектора (FNTD). [2] [3]
В руководствах Международного комитета по радиационной защите (ICRP) говорится, что если индивидуальный дозиметр носится на месте тела, характерном для его облучения, при условии облучения всего тела, то значения индивидуального эквивалента дозы Hp(10) достаточно для оценки эффективное значение дозы, подходящее для радиологической защиты. Персональный эквивалент дозы – это величина радиации, специально разработанная для измерения радиации с помощью персональных дозиметров. [4] Дозиметры называются «легальными дозиметрами», если они одобрены для использования при регистрации доз персонала в целях регулирования. В случаях неравномерного облучения такие индивидуальные дозиметры могут не быть репрезентативными для определенных участков тела, когда в проблемной зоне используются дополнительные дозиметры.
Ряд электронных устройств, известных как электронные персональные дозиметры (ЭПД), получили широкое распространение, используя полупроводниковую технологию обнаружения и программируемый процессор. Их носят как значки, но они могут указывать мгновенную мощность дозы, а также подавать звуковой и визуальный сигнал тревоги в случае превышения мощности дозы или общей интегрированной дозы. Большой объем информации может быть немедленно предоставлен владельцу зарегистрированной дозы и текущей мощности дозы через локальный дисплей. Их можно использовать как основной автономный дозиметр или как дополнение к другим приборам. EPD особенно полезны для мониторинга дозы в режиме реального времени, когда ожидается высокая мощность дозы, что ограничит время воздействия на пользователя.
В определенных обстоятельствах дозу можно определить на основе показаний, снятых стационарными приборами в помещении, где работал заинтересованный человек. Обычно его используют только в том случае, если персональный дозиметр не был выдан или персональный дозиметр был поврежден или утерян. Такие расчеты будут основываться на пессимистическом взгляде на вероятную полученную дозу.
Внутренняя доза
[ редактировать ]Внутренняя дозиметрия используется для оценки ожидаемой дозы вследствие поступления радионуклидов в организм человека.
Медицинская дозиметрия
[ редактировать ]Медицинская дозиметрия – это расчет поглощенной дозы и оптимизация доставки дозы при лучевой терапии . Его часто выполняет профессиональный физик-медик, имеющий специальную подготовку в этой области. Чтобы спланировать проведение лучевой терапии, излучение, производимое источниками, обычно характеризуется кривыми дозы в процентах по глубине и профилями дозы, измеренными медицинским физиком . [5]
В лучевой терапии трехмерное распределение дозы часто оценивают с помощью метода, известного как гель-дозиметрия . [6]
Экологическая дозиметрия
[ редактировать ]Экологическая дозиметрия используется там, где существует вероятность того, что окружающая среда создаст значительную дозу радиации. Примером этого является мониторинг радона . Крупнейшим источником радиационного облучения населения является природный газ радон, который составляет примерно 55% годовой фоновой дозы. Подсчитано, что радон является причиной 10% случаев рака легких в Соединенных Штатах. Радон — это радиоактивный газ, образующийся в результате распада урана, который в различных количествах присутствует в земной коре. Определенные географические районы из-за лежащей в их основе геологии постоянно производят радон, который проникает на поверхность Земли. В некоторых случаях доза может быть значительной в зданиях, где может накапливаться газ. Для оценки дозы, которую могут получить жители здания, используется ряд специализированных методов дозиметрии.
Мониторинг радиационного воздействия
[ редактировать ]Записи результатов легальной дозиметрии обычно хранятся в течение определенного периода времени, в зависимости от законодательных требований страны, в которой они используются.
Мониторинг медицинского радиационного воздействия — это практика сбора информации о дозах от радиологического оборудования и использования этих данных для определения возможностей снижения ненужной дозы в медицинских ситуациях. [5]
Меры дозы
[ редактировать ]
Чтобы обеспечить учет стохастического риска для здоровья, выполняются расчеты для преобразования физической величины поглощенной дозы в эквивалентные и эффективные дозы, детали которых зависят от типа излучения и биологического контекста. [7] Для применений в радиационной защите и дозиметрической оценке (ICRP) и Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (ICRU) опубликовали рекомендации и данные, которые используются для их расчета.
Единицы измерения
[ редактировать ]Существует ряд различных мер дозы радиации, включая поглощенную дозу ( D ), измеряемую в:
- серая (Гр) энергия, поглощенная на единицу массы ( Дж ·кг −1 )
- Эквивалентная доза ( H ), измеряемая в зивертах (Зв)
- Эффективная доза ( E ) измеряется в зивертах
- Керма (К) измеряется в серых тонах
- Произведение дозы на площадь (DAP), измеряемое в серых сантиметрах 2
- Произведение дозы на длину (DLP), измеряемое в серых сантиметрах
- рад — устаревшая единица поглощенной дозы радиации, определяемая как 1 рад = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг.
- Рентген - устаревшая единица измерения рентгеновского излучения.
Каждую меру часто называют просто «дозой», что может привести к путанице. Единицы, не относящиеся к системе СИ, до сих пор используются, особенно в США, где о дозе часто сообщают в радах, а эквивалент дозы – в бэрах . По определению 1 Гр = 100 рад и 1 Зв = 100 бэр.
Фундаментальной величиной является поглощенная доза ( D ), которая определяется как средняя энергия, сообщаемая [ионизирующим излучением] (dE) на единицу массы (дм) материала (D = dE/дм). [8] Единицей поглощенной дозы в системе СИ является грей (Гр), определяемый как один джоуль на килограмм. Поглощенная доза, как точечное измерение, подходит для описания локализованного (т.е. частичного) облучения органа, такого как доза опухоли при лучевой терапии. Его можно использовать для оценки стохастического риска при условии указания количества и типа задействованной ткани. Уровни локализованных диагностических доз обычно находятся в диапазоне 0–50 мГр. При дозе фотонного излучения 1 миллигрей (мГр) каждое ядро клетки пересекает в среднем 1 свободный электронный трек. [9]
Эквивалентная доза
[ редактировать ]Поглощенная доза, необходимая для достижения определенного биологического эффекта, варьируется в зависимости от типа излучения, такого как фотоны , нейтроны или альфа-частицы . Это учитывается с помощью эквивалентной дозы (H), которая определяется как средняя доза для органа Т по типу излучения R ( , R ), умноженная на весовой коэффициент W R. DT Это разработано с учетом биологической эффективности (ОБЭ) типа излучения, [8] Например, при той же поглощенной дозе в Гр альфа-частицы в 20 раз более биологически эффективны, чем рентгеновские или гамма-лучи. Показатель «эквивалента дозы» не усредняется по органу и теперь используется только для «оперативных количеств». Эквивалентная доза предназначена для оценки стохастических рисков от радиационного воздействия. Стохастический эффект определяется для оценки дозы радиации как вероятность индукции рака и генетического повреждения. [10]
Поскольку доза усредняется по всему органу; эквивалентная доза редко подходит для оценки острых радиационных эффектов или дозы опухоли при лучевой терапии. В случае оценки стохастических эффектов, предполагая линейную реакцию на дозу , это усреднение не должно иметь значения, поскольку общая переданная энергия остается неизменной.
| Радиация | Энергия | W R (ранее Q) |
|---|---|---|
| рентгеновские лучи , гамма-лучи , бета-лучи , мюоны | 1 | |
| нейтроны | < 1 МэВ | 2,5 + 18,2 е −[ln(E)]²/6 |
| 1 МэВ – 50 МэВ | 5,0 + 17,0 е −[ln(2·E)]²/6 | |
| > 50 МэВ | 2,5 + 3,25 е −[ln(0,04·E)]²/6 | |
| протоны , заряженные пионы | 2 | |
| альфа-лучи , Продукты ядерного деления , тяжелые ядра | 20 |
Эффективная доза
[ редактировать ]Эффективная доза – это центральная величина дозы для радиологической защиты, используемая для определения пределов воздействия, чтобы гарантировать, что возникновение стохастических последствий для здоровья не будет ниже неприемлемого уровня и чтобы избежать тканевых реакций. [12]
Трудно сравнивать стохастический риск от локализованного облучения различных частей тела (например, рентген грудной клетки по сравнению с компьютерной томографией головы) или сравнивать облучение одной и той же части тела, но с разными схемами воздействия (например, КТ сердца с ядерным медицинским сканированием сердца). Один из способов избежать этой проблемы — просто усреднить локальную дозу по всему телу. Проблема этого подхода заключается в том, что стохастический риск индукции рака варьируется от одной ткани к другой.
Эффективная доза E разработана для учета этого изменения путем применения конкретных весовых коэффициентов для каждой ткани ( W T ). Эффективная доза обеспечивает эквивалентную дозу для всего тела, которая создает тот же риск, что и локальное воздействие. определяется как сумма эквивалентных доз для каждого органа ( HT Он ), умноженная на соответствующий весовой коэффициент ткани ( ) WT .
Весовые коэффициенты рассчитываются Международной комиссией по радиологической защите (ICRP) на основе риска индукции рака для каждого органа и с поправкой на связанную с этим летальность, качество жизни и потерянные годы жизни. Органы, удаленные от места облучения, получат лишь небольшую эквивалентную дозу (в основном из-за рассеяния) и, следовательно, мало вносят вклад в эффективную дозу, даже если весовой коэффициент для этого органа высок.
Эффективная доза используется для оценки стохастических рисков для «эталонного» человека, который представляет собой среднее число населения. Он не подходит для оценки стохастического риска индивидуального медицинского облучения и не используется для оценки острых радиационных эффектов.
| Органы | Весовые коэффициенты тканей | ||
|---|---|---|---|
| МКРЗ30(И36) 1979 | МКРЗ60(И3) 1991 | МКРП103(И6) 2008 | |
| Гонады | 0.25 | 0.20 | 0.08 |
| Красный костный мозг | 0.12 | 0.12 | 0.12 |
| Двоеточие | – | 0.12 | 0.12 |
| Легкое | 0.12 | 0.12 | 0.12 |
| Желудок | – | 0.12 | 0.12 |
| Грудь | 0.15 | 0.05 | 0.12 |
| мочевой пузырь | – | 0.05 | 0.04 |
| Печень | – | 0.05 | 0.04 |
| пищевод | – | 0.05 | 0.04 |
| Щитовидная железа | 0.03 | 0.05 | 0.04 |
| Кожа | – | 0.01 | 0.01 |
| кости Поверхность | 0.03 | 0.01 | 0.01 |
| Слюнные железы | – | – | 0.01 |
| Мозг | – | – | 0.01 |
| Остаток тела | 0.30 | 0.05 | 0.12 |
Доза в зависимости от источника или напряженности поля
[ редактировать ]Доза радиации относится к количеству энергии, выделенной в веществе и/или биологическим эффектам радиации, и ее не следует путать с единицей радиоактивной активности ( беккерель , Бк) источника излучения или силой радиационного поля (флюенс ). В статье о зиверте дается обзор типов доз и способов их расчета. Воздействие источника радиации дает дозу, которая зависит от многих факторов, таких как активность, продолжительность воздействия, энергия испускаемого излучения, расстояние от источника и степень защиты.
Фоновое излучение
[ редактировать ]Среднемировая фоновая доза для человека составляет около 3,5 мЗв в год [1] и в основном обусловлена космическим излучением и естественными изотопами Земли. Крупнейшим источником радиационного облучения населения является природный газ радон, который составляет примерно 55% годовой фоновой дозы. Подсчитано, что радон является причиной 10% случаев рака легких в Соединенных Штатах.
Эталоны калибровки средств измерений
[ редактировать ]Потому что человеческое тело примерно на 70% состоит из воды и имеет общую плотность около 1 г/см. 3 , измерение дозы обычно рассчитывается и калибруется как доза на воду.
Национальные лаборатории стандартов, такие как Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), предоставляют калибровочные коэффициенты для ионизационных камер и других измерительных устройств для преобразования показаний прибора в поглощенную дозу. Лаборатории стандартов работают в качестве первичного эталона , который обычно калибруется методом абсолютной калориметрии (нагревание веществ при поглощении ими энергии). Пользователь отправляет свой вторичный стандарт в лабораторию, где он подвергается воздействию известного количества радиации (полученного из первичного стандарта), и выдается коэффициент для преобразования показаний прибора в эту дозу. Затем пользователь может использовать свой вторичный стандарт для получения калибровочных коэффициентов для других используемых им инструментов, которые затем становятся третичными стандартами или полевыми приборами.
В НПЛ имеется графитовый калориметр для абсолютной фотонной дозиметрии. Вместо воды используется графит, поскольку его удельная теплоемкость составляет одну шестую от теплоемкости воды, и поэтому повышение температуры графита в 6 раз выше, чем эквивалент в воде, и измерения более точны. Существуют серьезные проблемы с изоляцией графита от окружающей среды для измерения малейших изменений температуры. Смертельная доза радиации для человека составляет примерно 10–20 Гр. Это 10–20 джоулей на килограмм. 1 см 3 Таким образом, кусок графита весом 2 грамма поглотит около 20–40 мДж. С удельной теплоемкостью около 700 Дж·кг. −1 ·К −1 , это соответствует повышению температуры всего на 20 мК.
Дозиметры в лучевой терапии ( линейный ускоритель частиц в дистанционной лучевой терапии) обычно калибруются с использованием ионизационных камер. [14] или диодная технология или гелевые дозиметры. [15]
Величины, связанные с радиацией
[ редактировать ]В следующей таблице показаны количества радиации в единицах СИ и других единицах СИ.
| Количество | Единица | Символ | Вывод | Год | ЕСЛИ эквивалентно |
|---|---|---|---|---|---|
| Деятельность ( А ) | беккерель | Бк | с −1 | 1974 | И объединились |
| кюри | Там | 3.7 × 10 10 с −1 | 1953 | 3.7 × 10 10 Бк | |
| Резерфорд | Роуд | 10 6 с −1 | 1946 | 1 000 000 Бк | |
| Экспозиция ( X ) | кулон на килограмм | С/кг | C⋅kg −1 воздуха | 1974 | И объединились |
| рентген | Р | есу / 0,001 293 г воздуха | 1928 | 2.58 × 10 −4 С/кг | |
| Поглощенная доза ( D ) | серый | Гай | J ⋅kg −1 | 1974 | И объединились |
| очень за грамм | очень/г | erg⋅g −1 | 1950 | 1.0 × 10 −4 Гай | |
| рад | рад | 100 erg⋅g −1 | 1953 | 0,010 Гр | |
| Эквивалентная доза ( H ) | зиверт | Св | J⋅kg −1 × В Р | 1977 | И объединились |
| рентгеновский эквивалент человека | рем | 100 erg⋅g −1 × В Р | 1971 | 0,010 Зв | |
| Эффективная доза ( Е ) | зиверт | Св | J⋅kg −1 × В Р × В Т | 1977 | И объединились |
| рентгеновский эквивалент человека | рем | 100 erg⋅g −1 × В Р × В Т | 1971 | 0,010 Зв |
Хотя Комиссия по ядерному регулированию США разрешает использовать единицы кюри , рад и бэр наряду с единицами СИ, [16] Директивы Европейского Союза о европейских единицах измерения требовали, чтобы их использование в «целях общественного здравоохранения…» было прекращено к 31 декабря 1985 года. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Основные понятия внутренней дозиметрии» (PDF) .
- ^ «Радиационная дозиметрия – Введение» (PDF) .
- ^ «Avo Photonics разрабатывает прибор обнаружения радиации нового поколения для LANDAUER» . июль 2021.
- ^ Паб МКРЗ с 103 по 138.
- ^ Перейти обратно: а б Грэм, Саша; Миллс, Майкл (2021). «Почему медицинская дозиметрия является профессией только в Соединенных Штатах и что это значит для медицинских физиков во всем мире?» . Журнал прикладной клинической медицинской физики . 22 (8): 4–5. дои : 10.1002/acm2.13362 . ПМЦ 8364271 . ПМИД 34272815 .
- ^ С. Бэлдок, И. Де Дин, С. Доран, Г. Ибботт, А. Джирасек, М. Лепаж, К. Б. Маколи, М. Олдхэм, Л. Дж. Шрайнер, 2010. Дозиметрия на полимерном геле. Физика в медицине и биологии 55 (5) R1
- ^ https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/01/f46/doe-ionizing-radiation-dose-ranges-jan-2018.pdf .
{{cite web}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Перейти обратно: а б Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (ICRU). Варианты характеристики энерговыделений. Журнал ICRU Том 11 № 2 (2011) Отчет 86
- ^ Feinendegen LE. Концепция клеточной дозы; потенциальное применение в радиационной защите. 1990 Физ. Мед. Биол. 35 597
- ^ МКРЗ заявляет: «В диапазоне низких доз, ниже примерно 100 мЗв, с научной точки зрения обоснованно предположить, что заболеваемость раком или наследственными эффектами будет расти прямо пропорционально увеличению эквивалентной дозы в соответствующих органах и тканях» МКРЗ публикация 103, пункт 64
- ^ «Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 2007 г.» . Анналы МКРЗ . Публикация МКРЗ 103. 37 (2–4). 2007. ISBN 978-0-7020-3048-2 . Архивировано из оригинала 16 ноября 2012 года . Проверено 17 мая 2012 г.
- ^ Публикация МКРЗ 103, параграф 112.
- ^ UNSCEAR-2008 Приложение A, стр. 40, таблица A1, получено 20 июля 2011 г.
- ^ Хилл Р., Мо З., Хак М., Бэлдок С., 2009. Оценка ионизационных камер для относительной дозиметрии киловольтных рентгеновских лучей. Медицинская физика. 36 3971–3981.
- ^ Бэлдок С., Де Дин И., Доран С., Ибботт Г., Джирасек А., Лепаж М., Маколи К.Б., Олдхэм М., Шрайнер Л.Дж., 2010. Дозиметрия на полимерном геле. Физ. Мед. Биол. 55 Р1–Р63.
- ^ 10 С.Ф.Н. 20.1004 . Комиссия по ядерному регулированию США. 2009.
- ^ Совет Европейских сообществ (21 декабря 1979 г.). «Директива Совета 80/181/ЕЕС от 20 декабря 1979 г. о сближении законов государств-членов, касающихся единиц измерения, и об отмене Директивы 71/354/ЕЕС» . Проверено 19 мая 2012 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Ионизационная камера. Архивировано 29 октября 2017 года в Wayback Machine.
- [2] – «Запутанный мир радиационной дозиметрии» – М.А. Бойд, Агентство по охране окружающей среды США. Отчет о хронологических различиях между дозиметрическими системами США и МКРЗ.
- Тим Стивенс и Кейт Пэнтридж, «Дозиметрия, фильм личного мониторинга» (короткая статья о дозиметрии с точки зрения ее связи с фотографией, в «Философии фотографии» , том 2, номер 2, 2011 г., стр. 153–158).
