第六节 电离辐射量及其单位
放射活度是放射性的一种量度,它不能反映发出射线的种类、射线能量大小、射线被吸收的情况以及吸收物质的反应。为了正确地度量被照射物对辐射的反应,引入新的度量“辐射剂量”。“辐射剂量”是一个比较笼统的概念,包含了照射量、吸收剂量、当量剂量和有效剂量等,本节将对这些概念及它们之间的关系分别加以介绍。
一、照射量
照射量是第一个被提出作为“剂量”的物理量。
1.照射量的定义
照射量是指在单位质量的空气中,由光子(X射线或γ射线)产生的一种符号离子总电荷的绝对值。即X射线或γ射线在单位质量的空气中的电离量。
由定义可知照射量是从电离本领的角度说明X射线或γ射线在空气中辐射场性质的。因此,照射量是用来量度X射线或γ射线对空气的直接和间接的电离本领大小的一个客观物理量,并不表示被照射物吸收的量。
2.照射量的单位
照射量的国际单位为:库仑/千克,用C/kg表示。
照射量有一个广泛使用的非国际单位制专用单位——伦琴(Roentgen),用符号R表示。伦琴与库仑/千克之间的换算关系为:
1R=2.58 ×10 -4C/kg
3.照射量率
在实际应用中,描述辐射场性质时更多使用的是照射量率,照射量率用 表示,其定义为:单位时间的照射量。
照射量率的国际制单位为:库仑/千克/秒,用符号C•kg -1•s -1表示,无专名。
照射量率的专用单位有:伦琴每秒(R/s)、伦琴/分(R/min)、伦琴/小时(R/h)等。
1R/s=2.58 ×10 -4C•kg -1•s -1
1R/min=1.548 ×10 -2C•kg -1•s -1
1R/h=0.9288C•kg -1•s -1
4.照射量率与放射性活度的关系
放射活度A为单位时间的衰变次数,照射量率 为单位时间的照射量,二者之间有一定的关系。对于在空气中的点状γ放射源,有如下公式:
式中A为点状γ放射源的放射性活度,R是辐射场中某点距点状源的距离, 为该点的照射量率,Γ为该γ源的照射量率常数。在放射防护中,常利用此公式来控制工作人员距放射源的距离。
照射量率常数也称电离常数,是描述γ射线在空气中的电离能力的量,它取决于γ核素的衰变性质。不同的核素Γ常数不同。在国际单位制中Γ的单位为:C•m 2•kg -1。另一个单位曾经被广泛的应用,即:R•m 2•h -1•Ci -1,此时,活度 A 的单位取居里(Ci),照射量率 的单位取伦琴/小时(R/h),距离R的单位取米(m)。
二、吸收剂量
照射量不能反映被照射物实际吸收的能量。
1.吸收剂量的定义
吸收剂量是指单位质量的物质吸收的射线能量。
吸收剂量适用于各种电离辐射,例如:X射线、γ射线、α射线、β射线等。吸收剂量也适用于各种介质,例如:空气、水、生物组织等。
2.吸收剂量的单位
在国际单位制中,吸收剂量的单位为:焦耳/千克,记作J/kg或J•kg -1。 它的专名为:gray(戈瑞),记作 Gy。
1Gy=1J/kg
即1Gy的吸收剂量就等于1kg受照物质吸收1J的辐射能量。
在实际应用中,有时戈瑞显得偏大,常用毫戈瑞mGy、微戈瑞μGy。
历史上,吸收剂量还有一个非国际单位制的专用单位:Rad(拉德,也称作“瑞德”)。拉德与戈瑞的关系为:
1Rad=10 -2Gy
3.吸收剂量率
在实际应用中,经常要用到吸收剂量率的概念。吸收剂量率用 表示,其定义为:单位时间内的吸收剂量。
吸收剂量率的国际制单位为:戈瑞/秒,记作Gy/s或Gy•s -1。在实际应用中,有时也使用毫戈瑞每秒(mGy/s)、微戈瑞每秒(μGy/s)。
4.吸收剂量和照射量之间的关系
根据数学推导可得,在某种介质内,吸收剂量和照射量的关系成正比为:
D=f•X
这个公式只适用于X射线或γ射线外照射且次级电子平衡的情况。首先在空气中测得某处的照射量X,然后在该处放上被测介质(如生物组织、人体等),则该处的吸收剂量可由这个公式求得。在外照射的防护中,这是一个非常有用的公式。公式中的系数f与X射线或γ射线的能量及介质的性质有关。
三、当量剂量
吸收剂量是用来说明物质受到照射而吸收能量多少的一个物理量,它不能完全反映生物效应的情况。若射线的种类或能量不同,生物组织即使受到相同吸收剂量的照射,其生物效应也是不同的。因而吸收剂量不能满足辐射防护的需要。为了反映射线的种类或能量对生物效应的影响,引入当量剂量的概念。
1.当量剂量的定义
被研究组织或器官T内由辐射R产生的当量剂量H T,R为:
H T , R= D T , R• w R
式中:D T,R为辐射R在组织或器官T内产生的平均吸收剂量;w R为辐射R的辐射权重因子,与射线种类及其能量大小有关,表2-2是各种辐射的辐射权重因子w R值。
当被研究的组织或器官T受到多种辐射的作用时,当量剂量H T为:
表2-2 各种辐射的辐射权重因子w R
续表
注:(1)表中数据对内照射和外照射均适用。(2)表中的电子不包括结合到DNA的核素发射的俄歇电子
2.当量剂量的单位
由当量剂量公式可知,辐射权重因子w R是没有量纲的,因此,当量剂量H与吸收剂量D的单位相同,即H的国际制单位也应该是“焦耳/千克”,即J/kg。为了避免和吸收剂量D的单位混淆,ICRU和ICRP共同为当量剂量推荐了一个专名:Sievert(希沃特),简称 Sv(希,希弗),并且规定:1Sv=1J/kg。
应用中经常使用毫希(mSv)和微希(μSv)。
当量剂量曾经使用的另一个专用单位为:雷姆(rem),目前仍有人使用这个单位。
1rem=10 -2Sv
3.当量剂量率
在辐射防护的测量中,更多使用的是当量剂量率。当量剂量率用 表示,定义为:单位时间内的当量剂量。
当量剂量是辐射防护中的一个十分重要的量。在防护中常讲的“剂量”,主要就是指当量剂量。
四、有效剂量
当量剂量考虑了射线的种类或能量对生物效应的影响,由此可以对生物体受到的各种类型、各种能量以及各种方式的辐射进行同一尺度的计量。但是在同样的当量剂量照射下,各种组织或器官可能诱发的恶性疾患的几率却是不相同的,也就是说各组织或器官对相同当量剂量照射的危险度是不同的。同时,当人体不同组织器官同时受到照射时,辐射对人体产生的危害在某种意义上是可以相加的。为了反映不同组织器官的不同危险度及对人体总生物效应的影响,引入一个新的量即有效剂量,以便对辐射的生物效应进行分解和综合,进而对辐射危害进行控制。
有效剂量就是计及各组织器官的相对危险度之后,人体各组织器官当量剂量的加权和。
1.组织权重因子
在均匀照射下,各组织或器官的危险度不同,对全身总危险度的贡献份额也就不同。组织权重因子与组织危险度相对应,也称危险度权重因子。权重因子实际上就是某组织或器官可能诱发的恶性疾患的几率与全身疾患的总几率之比,即单个组织的恶性疾患率所占全身总疾患率的份额。
均匀照射下总的危险度权重因子W 总等于所有器官和组织的危险度权重因子W T之和,此值等于1。
W 总=∑W T=1
权重因子只是个比值,无单位。表2-3给出了人体各组织或器官的权重因子。
2.有效剂量
有效剂量为各组织或器官T接受的当量剂量H T与相应的组织权重因子W T的乘积之和。用 E表示:
表2-3 人体各组织或器官的危险度权重因子
可见,有效剂量是全身照射的当量剂量的加权平均值。
因为权重因子是无量纲的,有效剂量 E的国际制单位与当量剂量 H相同,也为Sv。
有效剂量是对辐射产生的损伤的一种度量,剂量限值就是以有效剂量给出的。按照有效剂量的概念,不均匀照射时,受照器官或组织的有效剂量可以加权相加,这就为制定关于不均匀照射的剂量限值标准提供了依据。利用有效剂量,可以比较不均匀照射时的危险性。
(陈英茂 耿建华)