Радиация: единицы измерения

При почти каждом разговоре о радиоактивности с неспециалистом оказывается, что собеседник имеет в той или иной степени смутное представление о единицах измерения. Вот и когда я опубликовал статью о радиохимической лаборатории, один из читателей пожаловался мне в личку, что у него от множества единиц, встречающихся в книгах и статьях о радиоактивности — рентгены, бэры, рэмы, рады, греи, зиверты, кюри, беккерели и даже грамм-эквиваленты радия — голова идет кругом и попросил об этом написать. Исполняю его просьбу.
Да, на КДПВ — супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри.

Немного истории

В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген открыл излучение, обладавшее удивительными свойствами: действуя, подобно свету, на фотопластинки, и возбуждая свечение люминесцентных экранов, оно с легкостью проникало через прозрачные преграды. Прошло совсем немного времени, как оказалось, что источником подобного излучения является не только работающая трубка Крукса, как в опытах Рентгена, но и вещества, содержащие уран, которые, к тому же, испускают это излучение непрерывно, неизменно и без какого-либо подвода энергии извне. За этим последовала буквально лавина открытий. Открытие радия, полония, а затем целого букета новых радиоактивных элементов, установление связи радиоактивного распада с превращением одного элемента в другой, первые осуществленные ядерные реакции… В общем, удивительно простой опыт Беккереля с урановой солью на завернутой в черную бумаге фотопластинке буквально распечатал «горшочек-не-вари» новых знаний. Разговор об этих открытиях — это тема другой статьи (и не одной), а сейчас я просто скажу, что уже тогда, в первые месяцы и годы этого «радиевого бума» нельзя было обойтись без измерений.
Первым измерительным прибором для определения интенсивности ионизирующей радиации стал обыкновенный электроскоп или электрометр, который разряжался под действием излучения, и скорость этого разряда была пропорциональна его интенсивности. А первым эталоном стала…

Ампула с миллиграммом радия, как мера радиоактивности

Эта ампула стала не только первым эталоном для градуировки электрометров и ионизационных камер — это была мера количества радиоактивности. Удивительным свойством радия оказалось исключительное постоянство его излучения: его интенсивность зависела только от количества радия. Поэтому, взяв однажды навеску в 1 мг радия и запаяв его в платиновую ампулу, стало возможным больше никогда радий не взвешивать. Сравнив интенсивность гамма-излучения от эталонной ампулы и образца, помещенного в ампулу с такой же толщиной стенки, можно было с высокой точностью определить количество радия в нем. Так что ампулы с радием заняли свое законное место в палатах мер и весов рядом с эталонами метра, килограмма и сферическими конями.
Строго говоря, источником гамма-излучения является не радий. И именно с этим связано то, что эталоном была именно запаянная ампула. Дело в том, что радий-226 не излучает гамма-лучи при распаде. Он испускает альфа-частицу, превращаясь в радон-222, который тогда называли эманацией радия. Последний, будучи также альфа-активным, затем претерпевает ряд распадов с испусканием альфа- и бета-частиц, некоторые из которых сопровождаются гамма-излучением. Из запаянной ампулы радону деваться некуда, и между радием и его радиоактивными продуктами распада устанавливается вековое равновесие: сколько радона (и каждого последующего члена радиоактивного ряда) образовалось, столько и распадается.
При сравнении радиоактивности других открытых впоследствии элементов с радием стали применять такую единицу, как миллиграмм-эквивалент радия, равный количеству радиоактивного вещества, который дает такую же интенсивность гамма-излучения, как и миллиграмм радия на том же расстоянии.
Миллиграмм-эквивалент радия, как единица радиоактивности, имеет тот очевидный недостаток, что гамма-излучение, вообще говоря, является своего рода побочным эффектом радиоактивного распада. Во-многих случаях оно либо отсутствует, либо возникает не в каждом акте распада. Поэтому от сравнения по интенсивности гамма-излучению перешли к понятию активности, как мере количества актов распада в препарате в единицу времени. Эталоном осталась все та же ампула с радием, и отсюда появилась единица кюри, определяемая, как активность радиоактивного вещества, в котором в единицу времени распадается столько же атомов (а именно, $$ штук), сколько распадается атомов радия-226 в одном его грамме.
Единица кюри в настоящее время считается устаревшей, как и все внесистемные единицы. В системе СИ ее заменяет беккерель — это активность препарата, в котором в среднем происходит один распад в секунду. Таким образом, 1 Ки = $$ Бк.

Электрометр и экспозиционная доза

Первым устройством для измерения интенсивности радиоактивного излучения, как я говорил, стал электрометр, который разряжался под действием лучей радия. Он стал предтечей ионизационной камеры — камеры с двумя противоположно заряженными электродами, которая позволяла определить количество ионов, образовавшихся в воздухе, заполнявшем камеру. Эти ионы в электрическом поле внутри ионизационной камеры начинают движение к электродам и, достигнув их, разряжают их. По величине уменьшения заряда электродов можно определить число пар ионов, которые образовались в воздухе под действием излучения. А измерив ток, протекающий через камеру в цепи внешнего источника напряжения, можно определить количество ионных пар, рождающихся в камере в единицу времени, пропорциональное интенсивности излучения.
Величина, которую таким образом измеряют, была названа экспозиционной дозой радиоактивного излучения. И единицей ее измерения стал рентген. При экспозиционной дозе в 1 рентген в одном кубическом сантиметре сухого воздуха образуется одна единица СГСЭ ($$ Кл) заряда каждого из ионов, что соответствует $$ пар ионов. Кстати, наш эталонный 1 мг радия в платиновой ампуле на расстоянии 1 см в течение часа создает экспозиционную дозу в 8,4 рентгена (обычно в таком случае говорят о мощности экспозиционной дозы 8,4 Р/ч).
В системе СИ нет специальной единицы экспозиционной дозы и применяется единица кулон на килограмм. 1 Кл/кг = 3875.97 Р. Однако в настоящее время данная единица используется крайне редко из-за отказа от самого понятия экспозиционной дозы. Причина этого отказа в том, что эта достаточно легко измеряемая величина малопригодна для практического применения. Нас обычно интересует не то, сколько ионов образовалось в воздухе, а то действие, которое произвело облучение на вещество или живую ткань.

Поглощенная доза

Вполне очевидной является идея считать мерой воздействия радиоактивного излучения на вещество поглощенную в этом веществе энергию. Это и есть поглощенная доза, мерой которой является энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества. Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является грей: 1 Гр = 1 Дж/кг. Раньше применялась другая единица — рад. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр. При экспозиционной дозе 1 Р поглощенная доза в воздухе равна 0,88 рад. В большинстве случаев эти 0,88 округляют до единицы, приравнивая рад к рентгену (хотя по сути это разные физические величины), а грей (и зиверт, о котором ниже) к 100 рентгенам.
А вот доза в различных веществах при одной и той же экспозиционной дозе будет различной в зависимости от вида и энергии излучения и свойств поглотителя. Именно по этой причине сейчас от понятия экспозиционной дозы отказались. На практике гораздо более корректным является измерение не экспозиционной дозы, а взять детектор, средний атомный номер которого равен среднему атомному номеру биологической ткани (в таком случае говорят о тканеэквивалентном детекторе) и измерять поглощенную дозу в нем. Тогда с определенной степенью точности можно полагать, что поглощенная доза в детекторе будет равна поглощенной дозе в биологической ткани.

Всякие разные дозы

Но оказывается, разные виды радиоактивных излучений действуют на живую ткань неодинаково. Альфа-излучение, протоны и нейтроны при одинаковой поглощенной дозе наносят ей гораздо больший вред, чем гамма-излучение и бета-частицы. В связи с этим наряду с поглощенной дозой возникает еще один вид дозы — эквивалентная доза. Она равна дозе гамма-излучения, которая вызывает такой же биологический эффект, как и доза данного излучения.
Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт. Старой единицей эквивалентной дозы является биологический эквивалент рентгена или бэр, по-английски REM (порой в переводной литературе и у рентгенологов можно встретить единицу «рэм» — это тот же бэр). 1 Зв = 100 бэр.
Для того, чтобы перевести поглощенную дозу в эквивалентную, нужно поглощенную дозу умножить на так называемый коэффициент качества. Этот коэффициент для фотонов, электронов и мюонов равен единице, для альфа-частиц принят равным 20, для протонов по разным данным — от 2 до 5, а для нейтронов сильно зависит от энергии, достигая 20 в интервале энергий от 100 кэВ до 2 МэВ (см. рисунок).

Помимо эквивалентной, рассматривают еще и эффективную дозу. Она учитывает не только разную степень вредности излучения, но и разную степень вредности облучения той или иной части тела или органа при облучении не всего тела, а его части. Каждой ткани и органу приписывают взвешивающие коэффициенты таким образом, чтобы сумма равнялась единице. При равномерном облучении всего тела эффективная доза равна эквивалентной. Измеряется она в тех же единицах, что эквивалентная.
На этом я и остановлюсь: не буду запутывать вас и рассказывать, что такое керма, амбиентный эквивалент дозы и еще многие штуки.

А как это все измеряют?

Чтобы измерить экспозиционную дозу, как я и говорил, нужно взять некоторый объем воздуха, собрать образовавшиеся в нем ионы и определить их количество, что с успехом решается с помощью ионизационной камеры. Именно на основе ионизационных камер сделана большая часть накопительных дозиметров «карандашного» типа.
А чтобы измерить поглощенную дозу, придется измерить количество энергии, выделившееся в веществе. И вот тут кроется главная сложность. Напрямую эту энергию измерить очень сложно, так как в большинстве случаев она очень мала. Один грей (а это серьезная доза, уже вызывающая лучевую болезнь) — это всего лишь джоуль на килограмм. Если мы попытаемся измерить эту дозу, например, калориметрически — по изменению температуры, то, например, алюминий нагреется всего лишь чуть больше, чем на тысячную градуса.
Поэтому все методы измерения поглощенной дозы или ее мощности косвенные. Они заключаются в том, что мы наблюдаем некий процесс, вызываемый облучением и требующий затраты энергии и предполагаем, что «выход» этого процесса будет линейно зависеть от энергетического вклада поглощенного излучения в него.
Первичным актом взаимодействия ионизирующего излучения с веществом почти всегда является, собственно, ионизация. Квант гамма-излучения или иная частица, испускаемая радиоактивным веществом, как правило, имеет энергию, значительно превышающую энергию, необходимую для того, чтобы вырвать электрон из атома. Поэтому одним актом ионизации дело не заканчивается. По всей траектории следования частицы в веществе порождаются свободные электроны и положительно заряженные ионы, энергии которых обычно сами превышают энергию ионизации, что приводит к развитию целого каскада процессов образования свободных электронов и ионов, до тех пор, пока их энергия не окажется сравнимой с энергией химической связи, с первыми энергиями ионизации и т.д. И уже эти электроны и ионы непосредственно осуществляют то воздействие на вещество, которое характерно для ионизирующих лучей: возбуждают люминесценцию, инициируют химические реакции, разрушают биологические структуры, становятся носителями электрического тока. И их количество и суммарная энергия пропорциональны поглощенной дозе (строго говоря — за вычетом энергии электронов, вылетевших за пределы вещества), при этом они уже «ничего не знают» о том, что их породило.
Исторически одним из первых дозиметров стала обычная фотопленка, завернутая в светонепроницаемый материал. Степень ее почернения после проявления примерно так же зависит от поглощенной дозы, как и от экспозиции обычным видимым светом: имеется область линейной зависимости, ограниченная загибом в области малых доз и насыщением (с последующей соляризацией — падением плотности) в области больших доз. Пленка является дешевым и довольно чувствительным, но не очень надежным дозиметром, так как небольшие отклонения в режимах обработки могут давать заметные погрешности определения дозы. Фотопленка является одним из первых представителей семейства химических дозиметров, в которых величина дозы определяется по количеству образованного или израсходованного в ходе реакции вещества: окрашенного, парамагнитного или обладающего другим легко измеримым свойством. Это может быть раствор в ампуле, темнеющий или окрашивающийся под действием радиации (например, из-за окисления железа (II) до железа (III) с последующим образованием ярко окрашенного в красный цвет роданида), стекло или кристалл, в которых образуются так называемые радиационные дефекты, поглощающие свет. Химические дозиметры позволяют определять дозу облучения с высокой точностью и в очень широких пределах — от тех, которые не нанесут человеку особого вреда до тех, которые убьют его в одну минуту. Но, как правило, они не позволяют измерить мощность дозы.
Люминесценция позволяет регистрировать даже акт поглощения единственной частицы или гамма-кванта, который приводит к возникновению в материале детектора короткой световой вспышки — сцинтилляции. На этом принципе основано действие сцинтилляционных детекторов, которые позволяют измерять даже очень слабые потоки радиации, в десятки и сотни раз более слабые, чем естественный радиационный фон. Сцинтилляционный датчик излучения в отличие от химических детекторов позволяет определять мощность поглощенной детектором дозы в реальном времени. Разумеется, для того, чтобы получить величину дозы, или мощности дозы, нужно не просто сосчитать число импульсов, а просуммировать, проинтегрировать испущенный сцинтиллятором свет.
Особой разновидностью таких детекторов являются так называемые термолюминесцентные детекторы. В них используется люминесцентный материал, который, вместо того, чтобы отмечать вспышкой света каждую частицу, сохраняет образованные ею свободные заряды в виде длительно существующих заряженных дефектов решетки. При нагревании эти дефекты «залечиваются», а освободившиеся электроны и дырки рекомбинируют, передавая энергию центрам люминесценции. И проинтегрировав световой импульс, возникающий при нагревании термолюминофора, мы определим накопленную им дозу.
Наконец, мы можем «поймать» не вторичные эффекты, вызванные ионизацией, а сами ионы — совсем как в ионизационной камере, только эта камера заполняется не газом, а полупроводником — германием, кремнием, теллуридом кадмия, наконец — алмазом. Средний ток через детектор будет пропорционален мощности поглощенной им дозы.
А что же всем известный счетчик Гейгера? А он не измеряет дозу. Он может только среагировать импульсом на пролет через него частицы, не разбираясь ни в том, что в него влетело, ни какую энергию оно имело. То есть он может измерить такую характеристику потока частиц, как флюенс: сколько частиц пролетело через заданную площадь. Точно так же будет работать сцинтилляционный или полупроводниковый детектор, если мы будем только фиксировать факт появления импульса, игнорируя его амплитуду.

Доза в разных материалах и ход с жесткостью

В параграфе про поглощенную дозу я упомянул вскользь, что в одном и том же потоке излучения доза, поглощенная разными материалами, будет разной и будет зависеть от энергии квантов и свойств вещества. В случае гамма-излучения его поглощение определяется единственной характеристикой материала — средним (или эффективным) атомным номером $$. Гамма-излучение передает веществам с одинаковым $$ одну и ту же энергию при прохождении слоя с одинаковой массой на единицу площади. Так, материал, имеющий такой же валовой атомный состав, как живая ткань, будет при любых энергиях поглощать гамма-кванты так же, как живая ткань, и таким образом, поглощенная доза в детекторе, сделанном из этого материала будет равна поглощенной дозе в человеческом теле. А если мы сделаем детектор из йодида цезия (один из наиболее часто используемых сцинтилляторов), то мы сможем откалибровать его для какой-нибудь одной энергии, а при других энергиях он будет врать. Такое изменение показаний дозиметрического прибора в зависимости от энергии излучения носит название «хода с жесткостью» или энергетической зависимости дозовой чувствительности детектора.

На рисунке (из «Нового справочника химика и технолога», т. 11, стр. 111) приведены энергетические зависимости дозовой чувствительности детекторов, изготовленных на основе разных сцинтилляторов. Слева сравниваются антрацен (более «легкий» по среднему атомному весу, чем живая ткань) и йодистый натрий (значительно более «тяжелый», чем последняя). Видно, что в определенном диапазоне энергий детектор на основе йодида натрия завышает величину дозы в 10 раз! А на правом графике показано то, что взяв смесь органических сцинтилляторов — более «легкого» и более «тяжелого», чем живая ткань, можно практически полностью устранить «ход с жесткостью».
Другим способом устранения «хода с жесткостью» является подбор фильтров, поглощающих излучение в области, где чувствительность детектора избыточна.

Заключение

В заключение приведу небольшую табличку, где сведены основные рассмотренные в статье величины.

А для более полного ознакомления с темой рекомендую лекции профессора Игоря Николаевича Бекмана, МГУ