Общие понятия о единицах измерения радиоактивности

Следует отметить, что существуют определенные объективные трудности в восприятии и понимании единиц радиоактивности. Это связано, во-первых, с тем, что имеются единицы измерения как самого явления, так и единицы по измерению воздействия этого явления на вещество, и зачастую необходимо переходить от одних к другим; во-вторых, с наличием нескольких единиц с различными исторически сложившимися названиями, не связанных меж собой кратными или дольными соотношениями.

Исторически первой общепринятой единицей радиоактивности была принята радиоактивность 1 грамма химически чистого радия, которая была названа в честь супругов М. и П. Кюри.

Радиоактивность 1 г Ra = 1 Кюри (Ки).

Позднее за единицу радиоактивности (активности) было принято количество радиоактивных превращений (распадов) в единицу времени.

Единица, характеризующая 1 распад радионуклида в 1 с, была названа в честь французского физика А. Беккереля - беккерелем (Бк).

Так как 1 г Ra давал 3,7 • 1010 распадов в секунду, то между Ки и Бк установлено соотношение: 1 Ки = 3,7 • 1010 Бк, или 1 Бк = 2,7 • 10-11 Ки.

Радиоактивность некоторых других элементов относительно радия будет следующей:

1 г 235U = 2,1 • 10-6 Ки;

1 г 137Cs = 87 Ки;

1 г I131 = 1,2 • 105 Ки;

1 г 232Th = 1,1 • 10-7 Ки;

1 г 239Pu = 6,1 • 10-2 Ки;

1 г 60Co = 1,1 • 10-3 Ки;

1 г l4C = 4,6 Ku;

1 г 87Rb = 8,5*10-8 Ки;

1 г 90Sr = 145 Ки;

1 г 40К = 6,8 • 10-6 Ки и т. п.

Таким образом, радиоактивность 1 г, например, кобальта-60 в 1 000 раз выше, чем радиоактивность 1 г радия-226, а плутония - в 100 раз меньше.

Активность радионуклида прямо пропорциональна его количеству, поэтому количество радиоактивного вещества можно измерить, определив его активность в Бк/кг, Ки/л и т. д.

Единицы активности 1 Бк и 1 Ки имеют кратные и дольные значения, например:

1 мкКи = 10-6 Ки;

1 кБк = 103 Бк;

1 MKh = 106 Кщ

1 пКи = 10-12 Ки и т.

Существуют также понятия удельной активности, площадной активности и объемной концентрации.

Удельная активность - это активность единицы массы вещества, т. е. Ки/г; Бк/кг; пКи/г и т. д.

Площадная активность - это радиоактивность вещества, приходящаяся на 1 ед. площади, т. е.: Ки/м ; Ки/км ; Бк/м и т. д.

Характеризуя радиоактивность какого-либо материала, необходимо конкретно указывать, о каком радионуклиде идет речь. Так, если мы говорим, что удельная активность почвы по цезию-137 100 Бк/кг, то это значит, что речь идет только об этом изотопе, другие (уран, торий, калий и т. д.), присутствующие в почве, не учитываются.

Оценивая общую радиоактивность почв в единицах СИ от естественных радионуклидов, мы должны указать, например, радиоактивность по урану - 238 Бк/кг, по торию - 35 Бк/кг, по калию - 296 Бк/кг, тогда как общая суммарная радиоактивность данной почвы от естественных радиоэлементов будет не простая сумма активностей, равная 369 Бк/кг, а несколько больше, так как она рассчитывается по формуле с учетом коэффициентов.

При этом не учитывается присутствие дочерних радионуклидов этих элементов (радий, полоний и т. д.)

При оценке соответствия строительных и некоторых других материалов радиационно-гигиеническим нормативам введено понятие «суммарная эффективная удельная активность радионуклида» (Ас)

Ас = ARa + 1,31 ATh + 0,085Ак,

где ARa, ATh, АК - удельная активность соответствующих радионуклидов.

Если в материале определялась концентрация урана, а не радия, то вместо ARa подставляется содержание равновесного урана, тогда расчетная формула будет иметь вид:

Если почва была загрязнена техногенными радиоизотопами, например, цезием, стронцием и кобальтом, то указывается их радиоактивность, допустим:

по цезию-137 - 100 Бк/кг;

по стронцию-90 - 20 Бк/кг;

по кобальту-60 - 80 Бк/кг.

Тогда общая радиоактивность почв составит (Ас + 100 + 20 + 80) Бк/кг.

Для перехода от удельной активности в Бк/кг, Бк/г и т. д. к площадной в Бк/м2, в Ки/км2 и т. д. необходимо знать плотность вещества.

Расчет может вестись по разным формулам. Так, В.М. Гавшин [19] предлагает следующий вариант:

где Р - площадной запас радионуклидов, Бк/км2;

А - активность почвы, Бк/кг;

л

d - объемный вес пробы, г/см ;

h - глубина ячейки параллелепипеда отбираемой пробы, см;

Р = 0,27 Adh мКи/км2.

Так, 34 Бк/кг активности почвы по цезию-137 будет соответствовать площадной активности 0,1 Ки/км при плотности почвы 1 100 кг/м и глубине отбора 0,1 м.

Часто для ориентировочной оценки необходимо знать переход от мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в мкР/ч к площадной

л

загрязненности почв (Ки/км ). Эта сугубо ориентировочная оценка должна учитывать весь энергетический спектр радионуклидов.

Так, М. Эйзенбад [26] указывает, что для продуктов деления, средняя энергия гамма-квантов которых равна 0,7 Мэв (цезий-137 + барий-137т) площадной активности 1 Ки/км2 на высоте 0,9 м, будет соответствовать мощность экспозиционной дозы 10 мкР/ч.

Ориентировочно, при условии радиоактивного равновесия, можно считать, что:

1 мг/кг U = 12,6 Бк/кг;

1 мг/кг Th = 4,07 Бк/кг;

1% К= 313 Бк/кг 40К.

Объемная концентрация радиоактивности - количество распадов

л

в единицу времени, отнесенное к объему вещества, т. е. Ки/л, Ки/м , Бк/л, Бк/м3 и т. п.

Первоначально объемная концентрация радона измерялась в эманах и махе-единицах: 1 эман = 10-10 Ки/л = 220 расп./мин-л;

1 махе = 3,64 эман = 3,64 • 10-10 Ки/л = 780 расп./мин-л.

В процессе распада радиоактивных ядер образуются потоки у-кван- тов, а-, в-частиц, способных ионизировать вещественную среду (воздух, воду, биологические клетки и др.) и сообщать веществу дополнительную энергию.

Количество поглощенной при этом энергии и образовавшихся пар ионов являются определенным интегрированным показателем величины радиоактивности вещества и измеряются различными физическими методами (по ионизации воздуха, например).

Так, например, если при воздействии у-квантов (фотонное излучение)

л

в 1 см воздуха при нормальных условиях (н. у.) происходит его ионизация с образованием 2,08 • 109 пар ионов, что соответствует электрическому заряду в 1 кулон (1 К), то говорят, что экспозиционная доза у-излучения соответствует 1 рентгену (1 Р). Отсюда появился широко распространенный термин - ионизирующее излучение.

Экспозиционная доза, отнесенная ко времени, получила название мощности экспозиционной дозы (X) и измеряется в системе СИ в амперах на килограмм (А/кг), а во внесистемных единицах - в Р/с, Р/ч и т. п.

Существуют и кратные им единицы (мР, мкР, мР/ч, мкР/ч и т. д.).

Переход от единиц активности вещества, выраженного, например, в мкКи, к мощности экспозиционной дозы у-излучения данного радионуклида в Р/ч, осуществляется при помощи гамма-постоянных (справочная величина), характерных для каждого радиоизотопа.

Гамма-постоянная любого радионуклида равна мощности экспозиционной дозы гамма-излучения нуклида в рентгенах за час, которая создается точечным изотропным гамма-источником активностью 1 мКи на расстоянии 1 см. Единица измерения гамма-постоянной Р • см2/ч • мКи. Так, например, от источника Ra-226 активностью 1 мКи на расстоянии 1 см создается мощность экспозиционной дозы у-излучения в 9,36 Р/ч [24]. От аналогичного источника цезия-137 - 3,1 Р/ч, лантана-140 - 11,14 Р/ч и т. д.

Кроме экспозиционной дозы, характеризующей степень ионизации воздуха, существует и другое понятие - поглощенная доза (D) - это энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества. В СИ она измеряется единицей грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Ранее пользовались для оценки поглощенной дозы единицей рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Поглощенная доза, отнесенная ко времени поглощения, носит название мощности поглощенной дозы и измеряется в Гр/ч, Гр/с, мГр/ч, рад/с, рад/год и т.

Следует отметить, что 1 P экспозиционной дозы (по всему спектру у-излучения до энергии 3 МэВ) соответствует поглощенной дозе в биологической ткани в 0,93 рад, т. е. 1 P около 0,93 рад, или 1 P ~ 0,0093 Гр, тогда как в воздухе 1 P ~ 0,88 рад.

Биологический эффект воздействия ионизирующего излучения зависит от вида излучения, энергии частиц и гамма-квантов. Так, альфа- частица с энергией 4 Мэв проходит 31 мкм биологической ткани, а с энергией 10 Мэв - 130 мкм.

Излучения, испускаемые радионуклидами, различаются по эффективности и по способности повреждать биологические системы. Существует понятие «относительная биологическая эффективность (ОБЭ) излучения». ОБЭ того или иного вида излучения выражается по отношению к дозе условно принятого стандартного типа излучения.

Главный фактор, влияющий на ОБЭ, - распределение ионизаций и возбуждений по следу (треку) движения заряженной частицы.

Для интегрированной характеристики процессов ионизации и возбуждения введен термин «линейная потеря энергии» (ЛПЭ).

ЛПЭ выражается в среднем количестве переданной частицей энергии, измеренной в единицах кэВ на микрометр пробега в веществе (кэВ/мкм). Частицы с высокой ЛПЭ являются более повреждающими на единицу дозы (Гр), чем излучение с низкой ЛПЭ.

Для учета степени воздействия радиоактивного излучения на биологические ткани существует понятие коэффициента качества (КК) излучения, или фактора качества (ФК) излучения.

КК (ФК) находится в прямой зависимости от ЛПЭ излучения (табл. 5.2).

Линейная потеря энергии и коэффициент качества

некоторых видов излучения

Таблица 5.2

Если ККИ у-излучения принять за 1, то для в-излучения он будет составлять 10, для a-излучения с энергией lt;10 Мэв - 20, для тепловых нейтронов - 3.

Поглощенная доза излучения D, рассчитанная с учетом КК, получила название «эквивалентная доза» Н

Н = D • КК.

Так, ранее широко распространенный термин биологический эквивалент рентгена (бэр), является показателем того, что при дозе 1 бэр данного вида излучения возникает такой же биологический эффект, как и при поглощенной дозе в 1 рад образцового излучения.

Для приближенных расчетов можно считать, что для у-излучения 1 бэр ~ 1 рад ~ 0,93 Р.

В настоящее время рекомендуется в качестве единицы измерения эквивалентной дозы использовать единицу зиверт (Зв). 1 Зв = 0, 01 БЭР.

Соответственно мощность эквивалентной дозы будет измеряться в Зв/ч, мкЗв/ч и т. д.

Соотношение между применяемой единицей мощности дозы у-излу- чения в мкР/ч и мкЗв/ч таково:

1 мкР/ч = 0,01 мкЗв/ч или

100 мкР/ч = 1 мкЗв/ч, для излучения с КК = 1.

Мощность поглощенной дозы 1Гр/ч соответствует мощности эквивалентной дозы 1 Зв/ч при КК = 1 (гамма- или рентгеновское излучение), но 1 Гр/ч от альфа-излучения будет соответствовать 20 Зв/ч от гамма- излучения.

Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта и единиц их измерения может быть представлена в виде схемы (табл. 5.3, рис. 5.1).

Связь понятий

Таблица 5.3

Рис. 5.1. Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта

и единиц их измерений

В табл. 5.4 показана доза облучения человека в зависимости от времени пребывания в поле гамма-излучения.

Таблица 5.4

Доза облучения человека в зависимости от времени пребывания в гамма-поле с определенной мощностью дозы

Примечание. Выделена мощность дозы, выше которой весь организм человека получит дозы выше предусмотренных МКРЗ для населения (5мЗв/год) и для профессионалов (50 мЗв/год).