Категории: ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Дозы внутреннего облучения и их определение
В случае радиоактивного загрязнения радионуклиды, поступившие в окружающую среду, могут являться источниками внешнего и внутреннего облучения. Последнее играет существенную роль в формировании общей дозы облучения.
Цель занятия. Усвоение принципов определения доз внутреннего облучения от инкопорированной активности в органы и ткани человека, животных и растений.
Вопросы, подлежащие изучению:
1. Источники и пути поступления радионуклидов в организм человека. 2. Параметры, необходимые для расчета внутренних доз облучения. 3. Определение доз внутреннего облучения у человека. 4. Расчет доз внутреннего облучения растений.
Указания к выполнению заданий
1. Внутреннее облучение формируется за счет различных источников. Вклад космических радионуклидов в суммарную дозу, обусловленную естественным радиационным фоном, невелик. Наиболее значительно облучение от рассеянных во внешней среде естественных радионуклидов. В районах природных радионуклидных аномалий и антропогенного радиоактивного загрязнения поступление радионуклидов в организм и дозы внутреннего облучения, вызываемые ими, сильно возрастают. Повышенная опасность радионуклидов, попавших внутрь организма, обусловлена несколькими причинами, а именно: способностью некоторых нуклидов избирательно накапливаться в отдельных органах тела, называемых критическими (например, 30% йода депонируется в щитовидной железе, которая составляет только 0,03% массы тела), и отдавать свою энергию сравнительно небольшому объему ткани; значительной продолжительностью облучения до момента выведения нуклида из органа или уменьшения активности вследствие радиоактивного распада нуклида; ростом опасности высокоионизирующих a- и b- излучений, которые недейственны или малодейственны для внутренних органов при внешнем облучении ввиду низкой проникающей способности. Нуклиды через кожу, органы дыхания и ЖКТ (желудочно-кишечный тракт) вначале попадают в кровь и разносятся по всему телу или, преимущественно, в критические органы. В некоторых случаях критическими органами становятся ЖКТ, его отдельные участки и легкие. Поступление радионуклидов через легкие наиболее опасно. За шесть рабочих часов человек вдыхает 9 м3 воздуха (в целом за 1 сутки 20 м3), а с пищей потребляется только 2,2 л воды. Усвоение и отложение в организме нуклидов через органы дыхания,как правило, выше, чем при заглатывании. Усвоение через поврежденную кожу в 200-300 раз меньше, чем через ЖКТ и не имеет существенного значения по сравнению с этим путем поступления. Однако, имеются радиоактивные вещества, легко проникающие через кожу (оксид трития, нитрат уранила, изотопы йода и некоторые другие).
2. Радионуклиды избирательно накапливаются в отдельных органах и тканях и создают дозу внутреннего облучения. Характер накопления радионуклидов в организме, отдельных органах и тканях зависит от скорости их поступления с пищевыми продуктами и водой в ЖКТ, с воздухом в легкие; усвоения из ЖКТ или легких; распределения в органах или тканях; времени удерживания в них и т.д. Для расчета дозы внутреннего облучения необходимо знать некоторые физиологические параметры, характеризующие обменные процессы в организме. МКРЗ рекомендует при таких расчетах использовать следующие величины: 1) минутный объем дыхания; 2) потребление воды; 3) количество воздуха, вдыхаемого человеком; 4) водный баланс организма. При оценке степени опасности поступления в организм человека радиоактивных изотопов йода необходимы сведения о массе щитовидной железы людей различного возраста и средний эффективной энергии, поглощаемой в щитовидной железе. Последняя слабо зависит от массы щитовидной железы. Для расчета дозы от остеотропных радионуклидов, на основании радиохимических исследований отдельных проб костной ткани, требуются данные о массе золы, образующейся при озолении отдельных костей скелета. При расчете дозы внутреннего облучения необходимо знать удельную эффективную энергию, т.е. энергию, поглощенную в 1 г органа (ткани) – мишени Тм при испускании излучения определенного вида, возникающего при радиоактивном распаде нуклида в органе (ткани) – источнике Ти. Для оценки дозы внутреннего облучения необходимы сведения о характере распределения активности радионуклида в теле человека и его эффективном периоде полувыведения из организма, т.е. при расчете доз учитывается интенсивность метаболизма отдельных радионуклидов в организме человека. Биологические периоды полувыведения нуклидов из критических органов и тканей различаются от десятков суток (3Н, 14 С, 24 Na) до бесконечности (полное усвоение: 90 Sr, 239 Pu). По характеру распределения нуклидов в организме выделяют три их группы: 1) радионуклиды, концентрирующиеся в костях ( 90 Sr, 226 Ra, 239 Pu, 241 Am и др.); 2) радионуклиды, поступающие в печень ( 144 Cr, 239 Pu, 241 Am и др.); 3) радионуклиды, распределяющиеся во всем теле ( 3 H, 60 Co, 106 Ru, 137 Cs и др.).
Задание. Усвоить основные источники и пути поступления радионуклидов в организм человека. Уяснить все необходимые параметры для расчета доз внутреннего облучения, а также особенности накопления и метаболизма радионуклидов в организме.
3. Трудность определения дозы внутреннего облучения состоит в невозможности прямыми методами измерения непосредственно зарегистрировать дозу облучения тела или критического органа. Процесс определения дозы разбивается на две части. Вначале определяют активность радионуклида в организме, затем рассчитывают дозу с учетом метаболизма радионуклида за тот или иной промежуток времени. Способы определения инкорпорированной активности: 1) Измерение концентрации радионуклида в источнике поступления (воздух, вода, продукты питания) с последующим расчетом отложения и удержания в организме; 2) Определение радиоактивности в биосубстратах (моче, кале, крови, волосах, зубах и т.п.) с последующим пересчетом на основании принятых моделей метаболизма; 3) Прямое измерение содержания радионуклидов в организме регистрацией проникающего излучения, исходящего из тела человека. Последний из перечисленных способов сопряжен с использованием спектрометров: СИЧ-01Т, СИЧ-01Щ, СИЧ-01Л, СИЧ-9R, СИЧ-Universal и т.д. Детекторами γ- излучения данных приборов являются монокристаллы NaJ или TeJ диаметром 150 мм и высотой до 100 мм в диапазоне энергий фотонов 0,1-3 МэВ. Для регистрации низкоэнергетических фотонов с энергией 10 КэВ и выше используют детекторы из сверхчистого германия. Низкую энергию фотонного излучения имеют радионуклиды 239 Pu (по рентгеновскому излучению) и 241 Am (по низко энергетическому γ- излучению). Приборы имеют амплитудные анализаторы импульсов и устройства для размещения человека. Для экспрессной оценки содержания радионуклида в организме можно использовать радиометр типа СРП-68-01 или СПР-88Н. Измерения скорости счета допускается с диапазоном до 10 имп/с. Скорость счета nc – измеряют в трех точках – в районе легких, желудка и щитовидной железы. Перед обследованием оценивают фон прибора nф. Обычно nф=50 имп/с, что соответствует примерно 15 мкР/ч. Определяют nф от незагрязненных людей в той же геометрии измерения. Если радионуклид известен и определена его локализация, то можно с погрешностью не более, чем в 2 раза оценить его активность (в Бк) по следующим формулам: А=2*103*nγ*[nc-( nф+∆ nф)], при равномерном распределении радионуклида; А=7,9*102*nγ*[nc-( nф+∆ nф)], при содержании в легких; А=4,9*102*nγ*[nc-( nф+∆ nф)], при содержании в желудке, где nγ – суммарный выход γ-квантов на распад данного радионуклида. Активность 131 I в щитовидной железе определяют по формуле: А = 66*[nc-( nф+∆ nф)]. Если, полученные при расчетах результаты соизмеримы с ДОА (с допустимой объемной активностью), то этих лиц необходимо обследовать на установке СИЧ. После определения активности радионуклида определяют мощность поглощенной дозы. Для α- и β- активных радионуклидов мощность поглощенной дозы, Гр/с, в критическом органе, в котором откладывается радионуклид, рассчитывается по формулам: Рα,β = А*f*Е*1,6*10-13/m = 1,6*10-13*С*f*Е, где А – активность радионуклида, содержащегося в органе или ткани, Бк; Е – энергия частиц (для β- частиц – средняя), МэВ; f – выход данного излучения на распад; 1,6*10-13 – коэффициент перехода от мегаэлектронвольт к джоулям; m – масса органа (ткани), кг; С – удельная активность, Бк/кг. Если время выразить в сутках, то мощность поглощенной дозы для α- и β- частиц (Рα,β), Гр/сут, можно определить по формуле: Рα,β = 1,38*10-8*С*f*Е Это соотношение справедливо, если радионуклид достаточно равномерно распределен в ткани или органе и пробег β- частиц мал по сравнению с размерами ткани, в которой содержится радионуклид. Поглощение γ- излучения в ткани (органе) зависит не только от энергии излучения, но и от размеров и геометрической формы органа, в котором распределен радионуклид. Поэтому распределение дозы γ- излучения в ткани неравномерно, даже когда радионуклид достаточно равномерно распределен в ткани. Для учета этого фактора вводят понятия: доза в отдельной точке, средняя доза, полученная всей тканью, и геометрический фактор. Мощность поглощенной дозы в органе или ткани от γ- излучающего радионуклида в общем виде определяется по формуле: Рγ = С*р*Кγ*Z*g, где Рγ – мощность поглощенной дозы в отдельной точке или средняя мощность поглощенной дозы для всей ткани; С – средняя удельная активность радионуклида в рассматриваемом органе (ткани); р – плотность ткани; Z – коэффициент перевода единицы экспозиционной дозы в единицу поглощенной дозы; g – геометрический фактор; Кγ – гамма-постоянная радионуклида. Если активность и мощность дозы выражать в единицах СИ, то приведенное выше соотношение будет иметь следующий вид: Рγ = 7,5*10-15*С*ρ*Кγ*g (Гр/с), для t в секундах; Рγ = 2,7*1011*С*r *Кγ*g (Гр/ч), для t в часах; Рγ = 6,5*10-10*С*r*Кγ*g (Гр/сут), для t в сутках, где С выражается в Бк/кг; ρ – в г/см3, Кγ – в Р*см2/(мКu*ч); Z – в Гр/Р, g – в см. Вследствие большой проникающей способности γ- квантов при расчете дозы внутреннего облучения возникают определенные математические трудности, которые не существуют при расчете доз α- и β- излучения. Для упрощения расчетов в дозиметрии все органы и ткани представляют в виде простых геометрических тел: сферы, цилиндра, усеченного крнуса и т.п. или их сочетания. Числовые значения геометрического фактора в общем виде определяют уравнением: ġ = 1/V* gT*d*V1 где ġ- средний геометрический фактор; V- объем геометрической фигуры; gT- геометрический фактор центра фигуры. Средний геометрический фактор для всего сферического объема рассчитывают по формуле: ġ = ¾*gц.сф. = 3/p*Rсф. Это соотношение можно использовать для органов, имеющих эффективный радиус Rсф.<10 см. При расчете поглощенных доз необходимо учитывать закономерности накопления радионуклидов в организме (критическом органе), а также их выведения. Если первоначальный период накопления незначительно влияет на поглощенную дозу в ткани, и выведение радионуклида из рассматриваемого органа можно описать одной экспонентой: С(t) = Соехр(-0,693t/Тэф.), где Со- средняя первоначальная удельная активность радионуклида в ткани; Тэф.- эффективный период полувыведения из органа (ткани), то поглощенную дозу Дα,β, Гр, можно определить по формуле: Дα,β = 2,31*10-13*С*f*Е*Тэф.*[1-ехр(-0,693t/Тэф.)], где Со- начальная удельная концентрация радионуклида в органе (ткани), Бк/кг; Е- энергия частиц (для β- частиц средняя),МэВ; t- время за которое за которое рассчитывается доза, с, при условии, что радионуклид медленно распадается и выводится из критического органа. Поглощенная доза зависит от соотношения между t и Тэф. (t<Тэф., t>>Тэф., t<<Тэф..). При t>>Тэф. Дα,β = 2,31*10-13Со*f*Е*Тэф. (время в секундах); Дα,β = 2,31*10-8Со*f*Е*Тэф.(время в сутках). Когда физический период полураспада короче биологического периода полувыведения радионуклида и сравним с биологическим периодом полунакопления, формулы, приведенные выше не верны, так как здесь следует учитывать начальный период накопления. Это достигается введением в формулы еще одной или нескольких экспоненциальных компонент с отрицательными коэффициентами. В простейшем случае уравнение для расчета средней концентрации в критическом органе имеет следующий вид: С(t) = Со*[ехр(-0,693t/Тэф.)-ехр(-0,693t/Тнакопл.)],
где Тнакопл.- эффективный период полунакопления; Со- максимальная средняя концентрация. Дозу, Гр, поглощенную в ткани при условии полного выведения радионуклида, можно определить по формуле: Д(αβ) (∞) = 2*10-8*Со*f*Е*(Тэф.-Тнакопл.) При расчете поглощенной дозы от γ- активных радионуклидов за время t используют соотношения: для t>>Тэф. Дγ = 9,3*10-10Со*ρ*Кγ*Zg*Тэф. ; для t<<Тэф. Дγ = 6,5*10-10Со*ρ*Кγ*Zg*t , где t и Тэф. выражается в сут., а Со- начальная удельная активность, Бк/кг ткани, если выведение радионуклида из организма описывается одной экспонентной функцией. Биологическое выведение из желудочно-кишечного тракта подчиняются другому закону. Вклад γ- излучения в суммарную поглощенную дозу от инкорпорированных β- и γ- активных нуклидов в основном зависит от размеров органов и тканей тела человека и выхода γ- квантов и β- частиц на распад и может составлять от долей до нескольких десятков процентов от суммарной дозы. В некоторых случаях вкладом γ- излучения в суммарную поглощенную дозу пренебрегают, например, при Еβ/Кγ ≥4,7*10-4ġ и Еβ/Кγ ≥4,7*10-3R сср. для сферических источников. Для расчета эквивалентных доз от инкорпорированных радионуклидов в теле взрослого человека используют приведенные выше соотношения с учетом эффективной энергии (Еэф. вместо Е). При расчете эффективной энергии учитывается коэффициент качества излучения. Результаты вычисления мощности дозы выражаются в единицах мощности эквивалентной дозы, Зв/с, Зв/сут и т.д.
Задание. Ознакомиться со способами определения инкорпорированной активности. Уяснить порядок определения доз внутреннего облучения для α- и β- активных и γ- излучающих радионуклидов. Усвоить закономерности изменения концентрации радионуклидов в органах и тканях человека.
4. Применительно к сельскохозяйственным животным наиболее актуальна оценка доз внутреннего облучения для условий хронического поступления радионуклидов с кормом, как это, например, имеет место в районах радиоактивного загрязнения после аварии на Чернобыльской АЭС. Расчет производят по одной из формул: Рβ = 2,13 Ec g/m, рад/ч; Рβ = 51,2 Ec g/m, рад/сут; Рβ = 1,86*104 Ec g/m, рад/год; Где Рb- мощность поглощенной дозы в органах, в которых откладывается радионуклид; q – активность радионуклида в расчете на орган или ткань, мкКи; Ес – средняя энергия b-частиц, МэВ/расп.; m – масса органа или ткани, г. Пример. Установлено, что в яичнике коров (m=15г.) содержится 0,0015 мкКи активности 137Cs (т.е. 1*10-7 Ки/кг органа). Определить Рb (рад/ч). Известо, что Ес для 137Cs=0,195 МэВ. Рb = 2,13*0,195*0,0015/15 = 0,000041 рад/ч = 0,041 мрад/ч (или 0,362 рад/год). Оценку внутреннего облучения растений для мягкого b-излучения и a-частиц проводят расчетным путем. Радионуклиды, накапливаясь тканями растений при внекорневом и корневом поступлении, являются источниками внутреннего облучения, при котором доза формируется за счет суммарного действия излучений. Вклад a и b излучений в суммарную дозу может быть значительным. Оценку внутреннего облучения растений проводят, определяя и анализируя величины поглощенных доз. При расчете доз от радионуклидов, инкорпорированных в ткани растений, используют соотношение:
, где Nt – число атомов, распадающихся за время t; Еb - средняя энергия b-частицы, МэВ; Wtβ -энергия, поглощаемая тканью за время t, МэВ. Среднюю энергию b-частицы находим из таблицы 2.1.
Таблица 2.1 - Значения энергии b-частиц некоторых радионуклидов
Энергетический эквивалент поглощенной дозы в 1 рад составляет 1,83*1012 пар ионов в 1 грамме. Поскольку на образование одной пары ионов расходуется энергия 34 эВ, то одному раду соответствует энергия 1,831012*34эВ=6,22*107МэВ. Если А - активность (в мкКи), содержащаяся в 1 грамме ткани, то мощность дозы Р=3,7*104*Еb*А/6,22*107 = 0,595*А*Еb*10-3 рад*с-1 = 0,595*А*Еb*10-5Гр*с-1. Если в 1 г ткани содержится 14С с активностью 1мкКи, то мощность дозы составляет 0,105Р*ч-1, а для 32Р – 1,49Р*ч-1. Поглощенную дозу от инкорпорированных радионуклидов в ткани растений можно рассчитать по константе равновесной дозы. Для некоторых продуктов деления урана значение этих констант таковы: 90Sr – 3,187*101 (мкГр*г/МБк*с) 95Zr – 1,366*102 (мкГр*г/МБк*с) 131I – 9,110*101 (мкГр*г/МБк*с) 134Cs – 2,755*102 (мкГр*г/МБк*с) 137Cs – 3,012*101 (мкГр*г/МБк*с) 144Ce – 1,713*101 (мкГр*г/МБк*с) 210Po – 8,485*102 (мкГр*г/МБк*с)
Таким образом, зная удельную активность радионуклидов (МБк/г) и константу его равновесной дозы, определяем мощность поглощенной дозы (мкГр/с) и поглощенную дозу за известное время без учета процессов накопления, выведения и распада радионуклида, инкорпорированного в ткани растения. Нами рассмотрены простейшие случаи расчета внутренних доз, получаемых сельскохозяйственными животными и растениями. В общем, определение дозы облучения – задача сложная и требует специальных методов измерений и расчетов. Особые трудности возникают в случае сложной геометрии облучателей и облучаемых объектов и смешанного излучения. Радионуклиды, накопленные тканями, по отношению к этим тканям – источники внутреннего облучения, а по отношению к другим органам – источники внешнего облучения. Задание. Определить поглощенную дозу b-излучения в плодах черники при содержании в них цезия-137 – 5000 Бк/кг за трое суток после сбора. Рассчитать поглощенную дозу внутреннего b-излучения от инкорпорированных радионуклидов стронция-90 и цезия-137 в тонких ветвях березы за три месяца в период физиологического покоя по константам равновесных доз, при условии, что удельная активность цезия - 6000 Бк/кг, а стронция – 50 Бк/кг. Снижением активности в результате естественного распада пренебречь.
Соотношение между внесистемными и международными единицами активности
Список рекомендуемой литературы
1 Анненков, Б.Н. Основы сельскохозяйственной радиологии / Б.Н. Анненков, Е.В. Юдинцева. – М.: Агропромиздат, 1991. – 287 с. 2 Бударков, В.А. Радиобиологический справочник / В.А. Бударков, В.А. Киршин, А.Е. Антоненко. – Минск: Ураджай, 1992. – 336с. 3 Гродзинский, Д.М. Радиобиология растений / Д.М. Гродзинский – Киев: Наук. думка, 1989. – 379с. 4 Действие ионизирующей радиации на биогеоценоз / Д.А. Криволуцкий, Ф.А. Тихомиров, Е.А. Федоров и др. – М.: Наука, 1988. – 240 с. 5 Козлов, И.Ф. Справочник по радиационной безопасности / И.Ф. Козлов. – М.: Энергоатомиздат, 1991. - 352с. 6 Моисеев, А.А. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене / А.А. Моисеев, В.И. Иванов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. - 252с. 7 Мурахтанов, Е.С.Основы лесохозяйственной радиационной экологии / Е.С. Мурахтанов, Н.Л. Кочегарова. – Брянск, 1985. – Курс лекций. - 345 с.
Оглавление Введение ………………………………………………………….3
1 Дозы внешнего облучения и их определение………….……..4
2 Дозы внутреннего облучения и их определение……………..13
Список рекомендуемой литературы…………………………..21
Кистерный Григорий Анатольевич Радиационная экология
Методические указания к практическим занятиям для студентов лесохозяйственного факультета, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 250100 «Лесное дело» профиля «Лесное хозяйство»
Часть 3
Лицензия НД №14185 от 06. 03.2001 Формат 60х94 1/16 Тираж 50 экз. Печ. л. – 1,6 Брянская государственная инженерно-технологическая академия 241037 г. Брянск, пр. Станке Димитрова, 3, Редакционно-издательский отдел. Подразделение оперативной печати Подписано к печати _______________ 2012 г
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-06-10 lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда... |