Дозиметрі́я (від грец. dosis — частка, порція і metreo — вимірюю) — самостійний розділ прикладної ядерної фізики, який розглядає фізичні величини, що характеризують поле іонізуючого випромінювання та взаємодію випромінювання з речовиною, а також принципи і методи визначення цих величин. Вона має справу з такими фізичними величинами, які пов'язані з очікуваним радіаційним ефектом. Важливою задачею дозиметрії є визначення дози випромінювання в різних речовинах, насамперед у тканинах живого організму для виявлення, оцінки і попередження будь-якої можливої радіаційної небезпеки для людини, та для розробки спеціальних засобів і методів радіаційного захисту.
Історія розвитку
Потреба в точному визначенні дози та в її вимірюванні експериментальним або теоретичним шляхом виникла з самого початку застосування іонізуючого випромінювання в терапевтичній практиці. Розвиток ядерних технологій, а також використання іонізуючого випромінювання в різних областях техніки, природознавства, медицини, промисловості та сільського господарства вивело вимірювання дозиметричних параметрів далеко за рамки лише променевої терапії.
Використання іонізуючого випромінювання в лікувальних цілях на початку ХХ століття викликало необхідність встановлення об'єктивної міри кількості опромінення в аналогії з дозою в хіміотерапії, з ціллю контролю дози радіації та біологічних ефектів, що нею створюються.
Перш ніж у дозиметрії почали застосовувати фізично обґрунтовані методи, достатньо довго користувались біологічним способом визначення «засвоєної кількості радіації». Цей спосіб був оснований на явищі почервоніння шкіри після короткочасного інтенсивного опромінення. Також як міра кількості радіації використовувалась загибель яєць дрозофіл або хробаків внаслідок опромінення. Однак у 1913 році швейцарський лікар і фізик розробив достатньо чіткі уявлення про фізичне обґрунтування дози, близькі до тих, що використовується сьогодні, і висвітлив їх у своїй статті. Саме він ввів саме поняття «доза» і визначив її як енергію випромінювання, що поглинена одиницею об'єму. Він зрозумів, що вимірювання можна заснувати на кількості утворених під дією випромінювання іонів в елементарному об'ємі сухого повітря за нормальних умов, але краще виразити енергію, потрібну для звільнення такої кількості іонів і визначив одиницею вимірювання дози ерг на сантиметр кубічний. Пізніше у 1938 році Карл Ціммер та у 1939 Луїс Гарольд Грей зіткнулися з проблемою вимірювання характеристик нейтронного випромінювання, оскільки його характеристики не могли бути виміряні через експонування, як для рентгенівських і γ-променів. Вони ввели «енергетичну одиницю». Як і одиниця Крістена вона виражалася в енергії на одиницю об'єму та визначалася по відношенню до поглиненої енергії впливу одного рентгена гамма-квантів в одиниці об'єму води. Але знову ж таки, як Крістен, вони мали вимірювати її через вторинну іонізацію в газі, бо існували серйозні практичні труднощі безпосереднього вимірювання за допомогою теплових ефектів, які вони створюють.
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.
Використання нових видів іонізуючого 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. Поглинена доза безпосередньо виражає енергію, яка передана випромінюванням матерії і тому являє собою основну дозиметричну величину, бо є застосовною до всіх видів випромінювання і енергій. Розвиток вимірювальної техніки в той час дозволив розробити фундаментальні методи вимірювання цієї важливої величини.
Введення у 70-х роках Міжнародної системи одиниці SI призвело до упорядкування одиниць та їх позначень, зокрема і в дозиметрії. У 1975 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, 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 SI джоуль на кілограм, але було визначено, що у цьому випадку не можна застосовувати спеціальну одиницю грей, а використовується спеціальна назва зіверт. В зв'язку з розробкою фізично чітко обґрунтованої теорії дозиметрії та визначення її понять і величин в останнє тридцятиліття відбувався безперервний розвиток нових методів вимірювання доз, а старі методи вдосконалювалися і доповнювалися. Також було розроблено нові чисельні методи визначення доз, особливо в рамках променевої терапії. Використання потужних комп'ютерів та новітніх програм дозволяє розраховувати навіть складні розподіли доз через невелику кількість вхідних даних.
На сьогодні дозиметрія охоплює такі самостійні напрямки: індивідуальна дозиметрія; клінічна дозиметрія; технічна дозиметрія; дозиметрія навколишнього середовища.
Основні фізичні величини
Поглинена доза
Основною фізичною величиною, що визначає ступінь радіаційного впливу, є поглинена доза випромінювання.Поглинена доза іонізуючого випромінювання (доза випромінювання) — відношення середньої енергії , що передана іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об'ємі, до маси речовини в цьому об'ємі: .
Одиницею вимірювання поглиненої дози в системі SI прийнятий грей (Гр). Грей дорівнює поглиненій дозі іонізуючого випромінювання, за якої речовині масою 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання будь-якого виду 1 Дж (1 Гр = 1 Дж/кг).
Позасистемною одиницею поглиненої дози є рад, який відповідає поглинанню 100 ерг енергії будь-якого виду випромінювання в 1 г речовини (1 рад = 100 ерг/г = 0,01 Дж/кг). Таким чином: 1 Гр = 100 рад.
Значення поглиненої дози випромінювання залежить від властивостей випромінювання, речовини, що поглинає, і не визначає повною мірою реакцію об'єкту, що опромінюється, на вплив опромінення, оскільки при однаковій поглиненій енергії іонізуючого випромінювання біологічна дія різних видів випромінювання є різною.
Потужність поглиненої дози іонізуючого випромінювання (потужність дози випромінювання або інтенсивність опромінення) — відношення приросту поглиненої дози за інтервал часу до цього інтервалу часу: .
За одиницю потужності поглиненої дози в системі SI прийнятий грей за секунду (Гр/с), тобто така потужність поглиненої дози, за якої за 1 с в речовині утворюється доза випромінювання 1 Гр. Позасистемна одиниця рад в секунду: 1 рад/с = 0,01 Гр/с.
Керма
Для оцінки впливу на середовище опосередковано іонізуючого випромінювання використовується поняття керма.
Керма — відношення суми початкових кінетичних енергій всіх заряджених іонізуючих частинок, що виникли під дією непрямо іонізуючого випромінювання в елементарному об'ємі речовини, до маси речовини в цьому об'ємі: .
Одиниця вимірювання керми в системі SI така сама, як і для поглиненої дози, тобто грей (Гр). Грей дорівнює кермі, за якої сума початкових кінетичних енергій всіх заряджених іонізуючого частинок, що виникли під дією непрямо іонізуючого випромінювання в речовині масою 1 кг, дорівнює 1 Дж. Якщо знехтувати втратою енергії на гальмівне випромінювання, то керма збігається з поглиненою дозою від вторинних заряджених частинок.
Потужність керми визначається аналогічно потужності поглиненої дози і вимірюється в тих же одиницях: .
Експозиційна доза
Для оцінки поля фотонного випромінювання з енергіями 1 кеВ — 3 Мев використовують поняття експозиційної дози.
Експозиційна доза іонізуючого випромінювання — міра іонізації повітря в результаті дії на нього фотонів, яка рівна відношенню сумарного заряду всіх іонів одного знаку, що були утворені в сухому повітрі за нормальних умов в певному об’ємі під дією іонізуючого випромінювання до маси повітря в цьому об'ємі: .
За одиницю вимірювання в системі SI прийнятий кулон на кілограм (Кл/кг). Кулон на кілограм дорівнює експозиційній дозі, за якої всі електрони і позитрони, що були звільнені фотонами в елементарному об'ємі повітря з масою , створюють іони, що несуть заряд 1 Кл кожного знаку.
Позасистемна одиниця експозиційної дози рентген (Р) пов'язаний з одиницею SI цієї величини наступним чином: 1 Р = 2,58 × 10−4 Кл/кг. Рентген — експозиційна доза фотонного випромінювання, при проходженні якого через 0,001293 г повітря (маса 1 см3 сухого повітря за нормальних умов) в результаті завершення всіх іонних процесів утворюються іони, що несуть одну електростатичну одиницю кількості струму кожного знаку. Із цього визначення можна знайти енергетичні еквіваленти рентгену у позасистемних одиницях.
Потужність експозиційної дози фотонного випромінювання — відношення приросту експозиційної дози за інтервал часу до цього інтервалу часу: .
За одиницю потужності експозиційної дози прийнятий ампер на кілограм (А/кг), тобто така потужність експозиційної дози, за якої за 1 с утворюється експозиційна доза 1 Кл/кг. Позасистемною одиницею є рентген за секунду (Р/с).
Еквівалентна доза і вагові коефіцієнти випромінювання
Для оцінки радіаційної небезпеки хронічного опромінення людини малими дозами випромінювання довільного складу використовується поняття еквівалентної дози. Дослідження наслідків опромінення живих тканин показало, що при однакових поглинених дозах різні види випромінювання здійснюють різний біологічний вплив на організм. Це зумовлено тим, що важка частинка (наприклад, протон) створює на одиниці довжини пробігу в тканині більше іонів, ніж легка (наприклад, електрон). За однакової поглиненій дозі радіобіологічний руйнівний ефект тим більший, чим вища іонізація, що створюється випромінюванням. Щоб врахувати цей ефект, а також стохастичні наслідки опромінення для здоров'я (наприклад, довгострокова ймовірність виникнення раку і генетичних захворювань) введено поняття еквівалентної дози іонізуючого випромінювання — сума добутків поглинених доз від різних видів випромінювання в цьому елементі об'єму біологічної тканини або органу стандартного складу типу на радіаційний ваговий коефіцієнт :
де індекси вказують на компоненти випромінювання різного типу.
Одиницею еквівалентної дози є Дж/кг, що має спеціальну назву зіверт (Зв).
+Вагові коефіцієнти різних типів іонізаційного випромінювання для розрахунку еквівалентної дози, згідно з доповіддю 103 МКРЗ Тип випромінювання Енергія рентгенівське, γ-випромінювання,β-частинки, мюони 1нейтрони < 1 МеВ 2.5 + 18.2·e-[ln(E)]²/6 1 MeV — 50 MeB 5.0 + 17.0·e-[ln(2·E)]²/6 > 50 MeB 2.5 + 3.25·e-[ln(0.04·E)]²/6 протони, заряджені піони 2 α-частинки, уламки ядерного розпаду, важкі іони 20
На початку 1960-х років при визначенні радіологічних захисних величин їх пов'язували з коефіцієнтом якості випромінювання, , що є функцією . У публікації доповіді 60 Міжнародної комісії з радіаційного захисту (МКРЗ) метод зважування випромінювання при розрахунку захисних величин еквівалентної і ефективної дози був змінений. Комісія вибрала набір вагових коефіцієнтів випромінювання , які були визнані прийнятними для використання в радіаційному захисті. Значення були здебільшого визначені, виходячи з різних видів випромінювання. Величини були обрані на підставі експертних оцінок з широкого діапазону даних по ВБЕ для стохастичних ефектів. Отримані експериментально значення ВБЕ залежать від обраного референтного випромінювання. В загальному випадку, як референтне обирається фотонне випромінювання з низькою ЛПЕ.
Ефективна доза іонізуючого випромінювання визначається, як зважена сума еквівалентних доз в цьому об'ємі тканини або органу типу :
де — ваговий коефіцієнт тканини . Сумування проводиться по всім тканинам і органам організму людини, що вважаються чутливими до виникнення стохастичних ефектів.