Введение
Единица СИ эквивалентной дозы ионизирующего излучения
Зиверт (символ: Sv) — это единица в Международной системе единиц (СИ), предназначенная для оценки стохастического риска для здоровья, связанного с ионизирующим излучением, который определяется как вероятность возникновения рака и генетических повреждений, вызванных облучением. Зиверт имеет важное значение в дозиметрии и радиационной защите. Он назван в честь Рольфа Максимилиана Сиверта, шведского физика-медика, известного своими работами по измерению доз радиации и исследованиям биологических эффектов излучения. Зиверт используется для количественной оценки доз излучения, таких как эквивалентная доза и эффективная доза, которые характеризуют риск от внешнего облучения источниками вне тела, и суммарная доза, которая характеризует риск внутреннего облучения в результате вдыхания или попадания внутрь радиоактивных веществ. Согласно Международной комиссии по радиационной защите (МКРП), один зиверт соответствует вероятности в 5,5% развития в конечном итоге смертельного рака, основанной на спорной линейной модели без порога воздействия ионизирующего излучения. Для расчета величины стохастического риска для здоровья в зивертах физическая величина поглощенной дозы преобразуется в эквивалентную дозу и эффективную дозу путем применения коэффициентов, учитывающих тип излучения и биологический контекст, опубликованных МКРП и Международной комиссией по единицам и измерениям в радиации (МКЕИР). Один зиверт равен 100 рем, что является устаревшей единицей излучения системы СГС. Как правило, детерминированные эффекты для здоровья, вызванные острым повреждением тканей, которое неизбежно произойдет при высоких дозах радиации, сравниваются с физической величиной поглощенной дозы, измеряемой в единицах серого (Гр).
Количество внешних доз
Когда сиверт используется для оценки стохастических эффектов внешнего ионизирующего излучения на ткани человека, фактически полученные дозы излучения измеряются радиометрическими приборами и дозиметрами и называются рабочими величинами. Для сопоставления этих фактически полученных доз с вероятными последствиями для здоровья были разработаны защитные величины, предназначенные для прогнозирования этих последствий на основе результатов масштабных эпидемиологических исследований. Это потребовало создания ряда различных дозиметрических величин в рамках единой системы, разработанной МКРУ в сотрудничестве с МКРП. Внешние дозиметрические величины и их взаимосвязи показаны на прилагаемой схеме. МКРУ в основном отвечает за рабочие величины, основанные на применении метрологии ионизирующего излучения, а МКРП – за защитные величины, основанные на моделировании поглощения дозы и биологической чувствительности организма человека.
Конвенции о наименовании
Количества доз, определенные в ICRU/ICRP, имеют конкретные цели и значения, однако некоторые используют одни и те же слова в другом порядке. Это может приводить к путанице, например, между эквивалентной дозой и дозой, эквивалентной по эффекту. Хотя определение CIPM указывает, что для расчета биологического эффекта используется функция линейного переноса энергии (Q) ICRU, ICRP в 1990 году разработала "защитные" количества доз – эффективную и эквивалентную дозу, которые рассчитываются с использованием более сложных вычислительных моделей и отличаются отсутствием словосочетания "доза, эквивалентная по эффекту" в их названии. Только операционные количества доз, которые по-прежнему используют Q для расчета, сохраняют это словосочетание. Однако существуют совместные предложения ICRU/ICRP по упрощению этой системы путем изменения определений операционных количеств доз для гармонизации с определениями защитных количеств. Эти предложения были представлены на 3-м Международном симпозиуме по радиационной защите в октябре 2015 года, и в случае их реализации наименование операционных величин станет более логичным за счет введения "дозы на хрусталик глаза" и "дозы на локальную кожу" в качестве эквивалентных доз.
Физические величины
Это непосредственно измеримые физические величины, для которых не учитывались биологические эффекты. Флюенс излучения – это число частиц излучения, падающих на единицу площади в единицу времени, керма – это ионизирующее воздействие гамма- и рентгеновских лучей на воздух, используемое для калибровки приборов, а поглощённая доза – это количество энергии излучения, переданное на единицу массы вещества или ткани.
Операционные количества
Операционные величины измеряются на практике и служат средством прямого измерения дозы, полученной в результате облучения, или прогнозирования дозы в измеренной среде. Таким образом, они используются для практического контроля дозы, предоставляя оценку или верхний предел для значений защитных величин, связанных с облучением. Они также используются в практических нормах и рекомендациях. Калибровка индивидуальных и площадных дозиметров в фотонных полях выполняется путем измерения столкновения «воздушной кермы без воздуха» в условиях вторичного электронного равновесия. Затем соответствующая операционная величина выводится путем применения коэффициента преобразования, который связывает воздушную керму с соответствующей операционной величиной. Коэффициенты преобразования для фотонного излучения публикуются МКРУ. Простые (неантропоморфные) «фантомы» используются для соотнесения операционных величин с измеренным облучением в свободном воздухе. Фантомная сфера МКРУ основана на определении материала, эквивалентного тканям элементов ICRU 4, который фактически не существует и не может быть изготовлен. Сфера МКРУ представляет собой теоретическую сферу диаметром 30 см, «эквивалентную ткани», состоящую из материала с плотностью 1 г·см−3 и массовым составом: 76,2% кислорода, 11,1% углерода, 10,1% водорода и 2,6% азота. Этот материал максимально приближен к человеческой ткани по своим характеристикам поглощения. Согласно МКРП, «фантомная сфера» МКРУ в большинстве случаев адекватно аппроксимирует человеческое тело в отношении рассеяния и ослабления проникающего излучения. Таким образом, излучение определенной энергии флюенции будет иметь примерно такое же отложение энергии в сфере, как и в эквивалентной массе человеческой ткани. Эти величины нельзя измерить на практике, но их значения определяются с использованием моделей дозы для внутренних органов человеческого тела, с применением антропоморфных фантомов. Это трехмерные вычислительные модели тела, которые учитывают ряд сложных эффектов, таких как самоэкранирование тела и внутреннее рассеяние излучения. Расчет начинается с поглощенной дозы органа, а затем применяются факторы взвешивания излучения и тканей. Поскольку защитные величины практически невозможно измерить, для их соотнесения с практическими показаниями приборов и дозиметров необходимо использовать операционные величины.
Ответ прибора и дозиметрии
Это фактическое показание, полученное с помощью, например, гамма-монитора фонового излучения или персонального дозиметра. Такие приборы калибруются с использованием методов радиационной метрологии, обеспечивающих их трассировку к национальному радиационному стандарту и, таким образом, связь с операционной величиной. Показания приборов и дозиметров используются для предотвращения получения чрезмерной дозы облучения и для ведения учета доз облучения в соответствии с требованиями законодательства в области радиационной безопасности, например, в Великобритании – Regulations on Ionising Radiations 1999.
Расчет количества защитной дозы
Сиверт используется в радиационной защите для определения эквивалентной дозы (от внешнего источника, воздействие на все тело в однородном поле) и эффективной дозы (которая зависит от облученных частей тела). Эти величины дозы являются средневзвешенными значениями поглощенной дозы, предназначенными для отражения стохастических эффектов радиации на здоровье, и использование сиверта подразумевает применение соответствующих весовых коэффициентов к измерению или расчету поглощенной дозы (выраженной в греях). Расчеты МКРП (ICRP) предусматривают два весовых коэффициента для расчета защитных величин. 1. Коэффициент излучения WR, специфичный для типа излучения R – он используется для расчета эквивалентной дозы HT, которая может быть определена для всего тела или для отдельных органов. 2. Коэффициент тканевого взвешивания WT, специфичный для типа облученной ткани T. Он используется совместно с WR для расчета доз, вносимых отдельными органами, с целью получения эффективной дозы E при неравномерном облучении. При равномерном облучении всего тела используется только коэффициент излучения WR, и эффективная доза равна эквивалентной дозе для всего тела. Однако, при частичном или неравномерном облучении тела, для расчета дозы для каждого органа или ткани используется тканевой коэффициент WT. Затем эти дозы суммируются для получения эффективной дозы. В случае равномерного облучения человеческого тела сумма этих коэффициентов равна 1, но в случае частичного или неравномерного облучения их сумма будет меньше, в зависимости от задействованных органов, что отражает меньший общий эффект на здоровье. Процесс расчета показан на прилагаемой схеме. Этот подход позволяет оценить вклад биологического риска в общую дозу для всего организма, учитывая полное или частичное облучение, а также тип или типы излучения. Значения этих весовых коэффициентов консервативно выбираются выше, чем большинство экспериментальных значений, наблюдаемых для наиболее чувствительных типов клеток, на основе средних значений, полученных для человеческой популяции.
Влияние на здоровье
Ионизирующее излучение оказывает детерминированное и стохастическое воздействие на здоровье человека. Детерминированные (острые эффекты на ткани) события происходят с неизбежностью, и соответствующие состояния здоровья развиваются у каждого человека, получившего ту же высокую дозу. Стохастические (индукция рака и генетические) события носят случайный характер, при этом большинство людей в группе не проявляют никаких негативных последствий для здоровья после облучения, в то время как случайная, но непредсказуемая меньшая часть подвергается им, причем часто эти незначительные негативные последствия можно выявить только в ходе масштабных и детальных эпидемиологических исследований. Использование единицы измерения "зиверт" подразумевает рассмотрение только стохастических эффектов, а для предотвращения путаницы детерминированные эффекты обычно сравниваются со значениями поглощенной дозы, выраженными в системе СИ в единицах "серых" (Gy).
Стохастические эффекты
Стохастические эффекты – это эффекты, возникающие случайным образом, такие как рак, вызванный воздействием радиации. Общепринятая точка зрения ядерных регуляторов, правительств и ЮНСЕАР заключается в том, что частота возникновения раковых заболеваний, вызванных ионизирующим излучением, может быть смоделирована как линейно возрастающая в зависимости от эффективной дозы со скоростью 5,5% на сиверт. Существует общее согласие, что риск значительно выше для младенцев и плодов, чем для взрослых, выше для людей среднего возраста, чем для пожилых, и выше для женщин, чем для мужчин, хотя количественной оценки этого различия пока не достигнуто.
Детерминирующие эффекты
Детерминированные (острое повреждение тканей) эффекты, которые могут привести к острому лучевому синдрому, возникают только при острых высоких дозах (≳ 0,1 Гр) и высоких дозовых скоростях (≳ 0,1 Гр/ч) и традиционно не измеряются в зивертах, а измеряются в граях (Гр). Модель детерминированного риска потребует иных (еще не установленных) весовых коэффициентов, чем те, что используются при вычислении эквивалентной и эффективной дозы.
Примеры дозы
Значительные дозы радиации редко встречаются в повседневной жизни. Приведенные ниже примеры помогут понять относительные значения; это лишь иллюстрации, а не исчерпывающий перечень возможных доз облучения. "Острая доза" – это доза, полученная за короткий и конечный промежуток времени, а "хроническая доза" – доза, продолжающаяся в течение длительного периода, поэтому ее целесообразнее характеризовать мощностью дозы.
История
Сиверт берет свое начало от рентгеновского эквивалента человеку (rem), который был выведен из единиц СГС. Международная комиссия по единицам и измерениям в области радиации (ICRU) продвигала переход на когерентные единицы СИ в 1970-х годах и объявила в 1976 году о планах сформулировать подходящую единицу для эквивалентной дозы. ICRP опередила ICRU, представив сиверт в 1977 году. Сиверт был принят Международным комитетом по мерам и весам (CIPM) в 1980 году, через пять лет после принятия серого. CIPM затем опубликовала разъяснение в 1984 году, рекомендуя, когда следует использовать сиверт, а когда – серое. Это разъяснение было обновлено в 2002 году, чтобы привести его в соответствие с определением эквивалентной дозы ICRP, которое изменилось в 1990 году. В частности, ICRP ввела понятие эквивалентной дозы, переименовала коэффициент качества (Q) в коэффициент радиационного взвешивания (WR) и исключила еще один коэффициент взвешивания "N" в 1990 году. В 2002 году CIPM также исключила коэффициент "N" из своего разъяснения, но в остальном сохранила прежнюю терминологию и символы. Это разъяснение содержится только в приложении к брошюре СИ и не является частью определения сиверта.
Эквивалентность рема
Старейшей единицей эквивалентной дозы является рем, который до сих пор часто используется в Соединенных Штатах. Один зиверт равен 100 ремам:
100 000,00 рем = 100 000,0 мрем = 1 Зв = 1 000 000 Зв = 1 000 000 мЗв = 1 000 000 мкЗв
1 000,00 рем = 1 000,0 мрем = 1 рем = 0,010000 Зв = 10 000 мЗв = 10 000 мкЗв
0,1000 рем = 100,0 мрем = 1 мЗв = 0,001000 Зв = 1 000 мЗв = 1 000 мкЗв
0,0010 рем = 1,0 мрем = 1 мрем = 0,000010 Зв = 0,010 мЗв = 10 мкЗв
0,0001 рем = 0,1 мрем = 1 мкЗв = 0,000001 Зв = 0,001 мЗв = 1 мкЗв