Дозиметрія – це розділ прикладної ядерної фізики, що розглядає іонізуюче випромінювання, фізичні величини, що характеризують поле випромінювання або взаємодію випромінювання з речовиною, а також принципи і методи визначення цих величин. Дозиметрія має справу з такими фізичними величинами іонізуючого випромінювання, які визначають його хімічну, фізичну і біологічну дію. Найважливіша властивість дозиметричних величин – встановлений зв’язок між фізичною величиною що вимірюється і очікуваним радіаційним ефектом.
У перші роки появи праць про рентгенівське випромінювання і радіоактивні елементи не робилися спроби щодо обмеження опромінення людини, не дивлячись на розуміння небезпеки іонізуючих випромінювань. Лише через майже сім років з моменту відкриття рентгенівського випромінювання англійський учений Вілф Роллінз в 1902 році запропонував обмежити опромінення тих, що працюють з дозою радіації, яка викликала почорніння внаслідок використання фотоемульсій, що відповідала експозиційній дозі 10 Р/доба.
Проте перше чітке уявлення про фізично обґрунтоване поняття дози, досить близьке до сучасного, розробила швейцарський лікар і фізик Теофіл Фрідріх Крістен у статті «Вимір і дозування рентгенівських променів». Перш ніж в дозиметрії почали застосовувати фізично обґрунтовані методи, застосовували біологічні методи дозиметрії. Так виявлені і згодом добре вивчені ранні враження шкірних покривів у людей, що працюють з іонізуючим випромінюванням, послужили підставою для пропозицій радіологів світу про обмеження професійного опромінення.
Згодом цими питаннями стали займатися спеціально створені національні комітети із захисту від іонізуючих випромінювань, які були створені в 1921 році у багатьох країнах. У ці роки була введена така одиниця рентгенівського випромінювання як рентген. У 1925 році була створена Міжнародна комісія з радіаційних одиниць та вимірювань (МКРО). Ця комісія стала вищою інстанцією з усіх питань визначення дозових і радіаційних величин та одиниць. Плідна міжнародна співпраця дозволила поступово удосконалювати систему понять дозиметрії. Було рекомендомано як толерантну (допустиму) дозу за місяць – дозу, що рівна 100 мР/доба. Лише у 1934 році Міжнародна комісія із захисту від рентгенівського випромінювання і радію, яка була створена в 1928 році (в даний час це Міжнародна комісія з радіологічного захисту (МКРЗ)), вперше рекомендувала національним урядам прийняти як допустиму дозу 200 мР/доба. У 1936 році ця комісія зменшила вказану дозу до 100 мР/доба [6, с. 71-72].
Подальше накопичення наукових даних про дію іонізуючого випромінювання, зокрема про скорочення тривалості життя тварин під час експериментів, термін толерантна доза замінили обережнішим – гранично допустима доза (ГДД). Вже в 1948 році МКРЗ рекомендувало понизити ГДД опромінення професіоналів до 50 мР/доба (6 Зв за 40 годин роботи), сформулювавши поняття ГДД як «такої дози, яка не повинна викликати значного пошкодження людського організму у будь-який момент часу протягом його життя».
Використання нових видів іонізаційного випромінювання в медицині та розвиток ядерних досліджень в післявоєнні роки викликали необхідність введення нових фізичних величин та їх ґрунтовного фізичного опису. Тому в 1954 році МКРО запропонувала загальноприйняту дозову величину, а саме поглинену дозу випромінювання, і ввела для неї одиницю вимірювання рад. Введення у 70-х роках Міжнародної системи одиниці СІ призвело до упорядкування одиниць та їх позначень, зокрема і у дозиметрії. У 1975 році такі одиниці як рад, рентген та бер були виведені з обігу, а Генеральна конференція з мір і ваг, за пропозицією МКРО ввела для поглиненої дози одиницю грей (на честь англійського фізика Луїса Гарольда Грея), яка рівна одному джоулю на один кілограм, одиницею експозиційної дози замість рентгена було прийнято кулон на кілограм. Еквівалентну дозу, як і поглинену визначала похідна одиниця системи СІ джоуль на кілограм, але було визначено, що у цьому випадку не можна застосовувати спеціальну одиницю грей, а використовується спеціальна назва зіверт [4, с. 127-128].
На сьогодні дозиметрія охоплює такі самостійні напрямки: індивідуальна дозиметрія; клінічна дозиметрія; технічна дозиметрія; дозиметрія оточуючого середовища.
Незалежно від того, у якому куточку Землі живе людина, вона постійно зазнає впливу радіації, тому що в будь-якій місцевості завжди є певний радіаційний фон.
Радіаційний фон – іонізуюче випромінювання земного та космічного походження. Радіаційний фон Землі складається з кількох компонентів. Це космічне випромінювання природних радіонуклідів середовища; випромінювання штучних радіоактивних Ізотопів. Випромінювання природних радіонуклідів та космічне випромінювання створюють природний радіаційний фон. У результаті діяльності людини природний радіаційний фон значно збільшився – відбулося техногенне підвищення природного радіаційного фону. Приклад такої діяльності людини — видобування корисних копалин (вугілля, мінеральних добрив, сировини для будівельних матеріалів тощо), які містять підвищену кількість радіонуклідів уранового і торієвого рядів. Так, підвищений вміст природних радіоактивних ізотопів є в граніті. А далі будуємо ланцюжок. Гранітний щебінь є складником бетону, з якого споруджують будинки. Отже, підвищений радіаційний фон слід шукати насамперед усередині будинків з бетону, особливо в зачинених приміщеннях, які не провітрюються (наприклад, концентрація радону в закритих приміщеннях в середньому у вісім разів вища, ніж ззовні) [7, с. 51].
Прилад для вимірювання дози іонізуючого випромінювання, а також потужності дози в певному часовому інтервалі, називається дозиметром.
Щоб вимірювати радіаційний фон на місцевості потрібно знати основні поняття дозиметрії. З ними ми ознайомимося у цьому підрозділі. Основною дозиметричною величиною є вимірювана доза іонізуючого випромінювання. Дозою опромінення називають енергію випромінювання, яка поглинута в одиниці об’єму або маси речовини за весь час впливу випромінювання. Енергія поглинутого опромінення витрачається на іонізацію речовини. Отже, доза опромінення характеризує ступінь іонізації речовини, чим більша доза тим більший ступінь іонізації. Саме тому доза опромінення являється мірою вражаючого впливу радіоактивного опромінення. Одна і та ж доза може накопичуватися за різний час, причому біологічний ефект опромінення залежить не тільки від величини дози, але і від часу її накопичення. Чим швидше отримана дана доза опромінення, тим більша її вражаюча здатність [6, с. 13].
Експозиційна доза визначає здатність рентгенівських і гамма-променів до іонізації атмосферного повітря. В системі СІ одиницею вимірювання експозиційної дози є кулон поділений на кілограм (Кл/кг). Позасистемна одиниця – рентген (Р).
Експозиційна доза в один рентген спричиняє утворення в1см³ повітря (за умови нормального атмосферного тиску і температури 0 °C) 2,082·109 пар іонів:
1 Кл/кг = 3880 Рентген. 1 Р = 2,57976·10−4 Кл/кг
Поглинута доза показує кількість енергії іонізуючого випромінювання, що її поглинула одиниця маси речовини. Визначається відношенням поглиненої енергії іонізуючого випромінювання на масу речовини. В системі СІ одиницею вимірювання поглинутої дози є грей (Гр ). Говорять про поглинуту дозу в 1 Гр, якщо в результаті поглинання іонізуючого випромінювання речовина отримала 1 Дж енергії на 1 кг маси. Позасистемною одиницею поглинутої дози є рад.
1 Гр = Дж/кг = 100 рад.
Еквівалентна доза відображає біологічний ефект іонізуючого випромінювання, що показує фізичний ефект опромінення. При дії іонізуючого випромінювання на живі організми виникають ефекти, що залежать від виду діючого випромінювання. Еквівалентна доза визначається як добуток поглинутої дози органом чи тканиною, на коефіцієнт якості (шкоди) певного виду випромінювання. Коефіцієнт якості є характеристикою випромінювання і показує його біологічну активність, тобто його здатність вносити пошкодження в біологічну тканину. Для альфа-частинок коефіцієнт якості дорівнює 20, це значить що за умови однакової поглинутої дози, біологічний ефект від дії альфа-опромінення буде в 20 разів сильнішим. В системі СІ еквівалентна доза вимірюється в зівертах (Зв). Позасистемна одиниця – бер (1 бер = 0,01 Зв).
Ефективна доза теж вимірюється в зівертах, проте є суттєва відмінність. Тут враховується чутливість відповідних органів і тканин живого організму до дії певного виду випромінювання, та шкода для цілого організму при опроміненні різних органів та тканин. Ефективна доза виступає мірою ризику виникнення негативних наслідків для організму в цілому, вона дорівнює еквівалентній дозі, помноженій на ваговий коефіцієнт відповідних органів та тканин.
Еквівалентна та ефективна дози є нормованими величинами, які однак неможливо виміряти. Тому на практиці введені операційні дозиметричні величини, які однозначно визначаються через фізичні характеристики випромінювання. Основною операційною величиною є амбієнтний еквівалент дози (амбієнтна доза, еквівалент амбієнтної дози).
Амбієнтний еквівалент дози – це величина, що враховує особливості поглинання гамма-випромінювання біологічною тканиною та розподіл енергетичного навантаження всередині організму. Ця величина дорівнює еквіваленту дози, що була створена в шаровому фантомі МКРЕ (міжнародна комісія з радіаційних одиниць) на глибині d (мм) від поверхні по діаметру, паралельному напрямку випромінювання.
На сьогодні в Україні діє постанова Кабінету Міністрів №62 від 1 грудня 1997 року про «Норми радіаційної безпеки України». Ця постанова включає систему принципів, критеріїв, нормативів та правил, виконання яких є обов’язковими для забезпечення протирадіаційного захисту людини та радіаційної безпеки. Нормативи визначені для різних категорій населення: категорія А – персонал ядерних об’єктів, категорія Б – персонал неядерних об’єктів, категорія В – все інше населення [3, с. 46].
Таблиця 1.1. Допустимі рівні радіації
| Допустимі ліміти дози (ЛД) | |
| Річний ліміт для персоналу категорії А | 50 мЗв/год |
| Річний ліміт для персоналу категорії Б | 5 мЗв/год |
| Річний ліміт для персоналу категорії В | 1 мЗв/год |
| Річний медичний ЛД | 1 мЗв/год |
| Допустимі рівні разового аварійного опромінення | |
| Населення | 0,1 Зв |
| Персоналу | 0, 25 Зв |
| Гранично допустимий рівень разового аварійного опромінення | 0,5 Зв |
| Гранично допустимі рівні радіаційного фону | |
| В зонах постійного проживання населення | 30 мкР/год |
| На території промислових підприємств категорії Б | 300 мкР/год |
| На території ядерних об’єктів категорії А | 3000 мкР/год |
| Гранично допустимий аварійний рівень радіаційного фону | 50 000 мкР/год |
Оцінити та порівняння вищенаведені значення можна наступним чином.
Значення гранично допустимого ліміту в 50 мЗв за годину приблизно дорівнює природному радіаційному фону на деяких територіях, при чому негативних наслідків дії таких доз для людини не було виявлено. Допустимий рівень разового аварійного опромінення для населення 0,1 Зв – є близьким до дози фонового опромінення людини за все життя.
Порогова еквівалентна доза опромінення, при якій вже виявляються ознаки ураження становить приблизно 0,5-1,0 Зв. При еквівалентних дозах опромінення від 3 до 5 Зв 50% випадків закінчуються смертю внаслідок променевої хвороби. Причиною смерті людей при таких дозах опромінення є пошкодження кісткового мозку та як наслідок різке зниження рівня лейкоцитів у крові. Доза опромінення в 10-50 Зв є летальною [5, с. 151-155].