Методы дозиметрии и радиометрии, НРБ

Дозиметрия : количественная оценка поглощенной энергии ионизирующего излучения. Развитие дозиметрии первоначально определялось необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновских лучей были замечены биологические эффекты, возникающие при облучении человека. Появилась необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности.

Дозы излучения: Экспозиционная доза = доза излучения ( Кл/кг, внесистемная Р – рентген) – количественная характеристика ионизирующей способности гамма- излучения в воздухе. Смысл: количество энергии ионизирующего излучения, падающей на объект за время облучения Поглощенная доза = доза облучения (1Гр=1Дж/кг=100 рад, внесистемная рад) – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу (D=de/dm). 1Гр=1Дж энергии любого вида поглощается 1кг массы вещества

Регламентация дозовой нагрузки в России (НРБ-99) «Нормы радиационной безопасности/НРБ-99/2009 СанПиН » с 1 сентября 2009 года ОСНОВНЫЕ САНИТАРНЫЕ ПРАВИЛА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (ОСПОРБ 99/2010)

НОРМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НРБ-99/2009 (введены с 1 сентября 2009 г.) Санитарные правила и нормативы СанПиН I. Область применения 1.1. Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009 (далее - Нормы) применяются для обеспечения безопасности человека во всех условиях воздействия на него ионизирующего излучения искусственного или природного происхождения. Требования и нормативы, установленные Нормами, являются обязательными для всех юридических и физических лиц, независимо от их подчиненности и формы собственности, в результате деятельности которых возможно облучение людей, а также для администраций субъектов Российской Федерации, местных органов власти, граждан Российской Федерации, иностранных граждан и лиц без гражданства, проживающих на территории Российской Федерации Настоящие Нормы устанавливают основные пределы доз, допустимые уровни воздействия ионизирующего излучения по ограничению облучения населения в соответствии с Федеральным законом от 9 января 1996 г. N 3-ФЗ "О радиационной безопасности населения" Нормы распространяются на следующие источники ионизирующего излучения: - техногенные источники за счет нормальной эксплуатации техногенных источников излучения; - техногенные источники в результате радиационной аварии; - природные источники; - медицинские источники.

Категории лиц: А – персонал, постоянно или временно работающий с источниками ионизирующего излучения; Б – лица (население и персонал), не работающие непосредственно с ИИ, могут подвергаться действию ИИ, например, по условиям проживания, или работы (уборщицы и др.); В – все остальное население Для всех трех групп установлены пределы доз (с. 110 Пивоваров, Михалев, 2004, таблица далее)

Нормы радиационной безопасности, принятые в России (НРБ-99) Биологическое действие одинаковых поглощенных доз разного вида излучения на организм неодинаково (ЛПЭ) Взвешивающий коэффициент: Для рентгеновского, - и - излучения К=1; Для -излучения К=20 Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы на взвешивающий коэффициент Эффективная доза (Е, Зв - зиверт) – мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела и отдельных органов, равна произведению эквивалентной дозы в органах и тканях на взвешивающий коэффициент (см.табл. далее)

Расчет предельно допустимых доз (ПДД): концепция критических органов 1 – я группа – все тело, гонады, красный костный мозг; 2 - я группа – мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, ж-к тракт, легкие, хрусталик глаза, и др. 3 - я группа – кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени, стопы и др.

Взвешивающие коэффициенты для органов и тканей (на основе интенсивности клеточного обновления) Гонады0,20 Костный мозг (красный)0,12 Толстый кишечник (прямая, сигмовидная и нисходящая кишки) 0,12 Легкие0,12 желудок0,12 Мочевой пузырь0,05 Грудная железа0,05 Печень0,05 Пищевод0,05 Щитовидная железа0,05 Кожа0,01 Клетки костных поверхностей0,01 Остальные органы (надпочечники, головной мозг, слепая, восходящая и поперечно-ободочная кишки, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка) 0,05

Основные пределы доз по НРБ-09 персонал группа А персонал группа Б (1/4 от гр.А) Населе- ние Эффективная доза в среднем за любые последовательные 5 лет, мЗв/год 20 (50)5 (12,5)1 (5) Эквивалентная доза, мЗв/год В хрусталике глаза15037,515 в коже В кистях и стопах

Методы дозиметрии Физические: основаны на изменении величины какого-либо физического эффекта, обусловленного поглощением энергии ИИ в веществе (ионизация, свечение, изменение проводимости и пр) Химические: основаны на измерении изменений в химических системах под действием ИИ (валентности элемента, угла вращения плоскости поляризации света, кол-ва молекул данного типа) Биологические: основаны на регистрации биологических изменение под действием ИИ на молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом уровне (мутации, перестройки хромосом, выживаемость и пр.) Биофизические : ЭПР-дозиметрия

Характеристика основных методов дозиметрии

1. Ионизационный метод дозиметрии или Метод ионизационной камеры В камере, заполненной газом (воздухом), образуются ионы, которые при помещении в электрическое поле собираются на электродах и создают электрический ток. (измерение поглощенной дозы) Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Для регистрации нейтронов используют специальную модификацию ионизационной камеры - камеру делениякамеру деления

Камера деления Камера деления - это специальная модификация ионизационной камеры, предназначенная для регистрации нейтронов. В камерах деления используется реакция деления. Внутреннюю поверхность такой ионизационной камеры покрывают тонким слоем делящегося вещества ( 235 U, 238 U, 239 Pu, 232 Th). Импульсы от высокоэнергетичных осколков деления вызывают большую ионизацию в газе камеры и соответственно имеют большую амплитуду. ионизационной камеры Схема камеры деления. Размеры камер деления могут быть в несколько раз меньше, чем на рисунке Однако эффективность регистрации в однослойной камере деления даже для тепловых нейтронов невелика (доли процента) и камеры деления часто делают многослойными.

2. Калориметрический метод Метод основан на измерении количества тепла, создаваемого поглощенной энергией излучения. Для воды увеличение Т о С = 0,2 о /1000Гр применение ограничено лабораторными условиями из- за «парадокса радиобиологии» (см.тему 2)

3. Активационный метод (нейтрон-активационный) Применяется в дозиметрии нейтронов. Дозу определяют по количеству радиоактивных атомов, образовавшихся в веществе детектора под действием нейтронов (Цыб, 2005, с.80-81)

4. Сцинтилляционный метод Световой выход ряда веществ (сцинтилляторов) зависит линейно от поглощенной дозы в широком диапазоне доз Такие вещества в сочетании с фотоумножителем используются в качестве дозиметров. Достоинства: -возможность регистрации практически любых видов ионизирующих излучений; -Возможность измерения энергии частиц или квантов -Высокая эффективность регистрации излучения Недостаток: необходимо максимально приблизить состав сцинтиллятора и вещества- поглотителя см с Максимов, Оджагов Люминесцирующие вещества - сцинтилляторы: Неорганические и органические твердые (сульфид цинка, активированный серебром; антрацен) Органические пластмассовые (полистирол с добавкой n-терфенила) Жидкостные органические (раствор n- терфенила в ароматическом соединении); Газовые (ксенон)

QUANTULUS - тритий – до 1 Бк/л (рекордно низкое значение) TRICARB Низкофоновые альфа / бета счетчики Современные низкофоновые приборы с использованием Ж/С методик

Портативный ж/с счетчик Triathler(Hidex) с альфа / бета разделением (возможно питание от аккумулятора) Аттестованные МВИ «Радиевый институт» 3 H - СП (НРБ-99) Sr-90 (по Черенковскому излучению и ж/с-радиохимия)

5.Химические методы дозиметрии Достоинства: возможность достижения высокой степени подобия дозиметра облучаемому объекту по химическому составу и по форме. Диапазон применения химических методов: Для доз > 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол Для доз от 10 4 до 10 5 Гр – по реакциям в жидкой фазе Для доз < 10 4 Гр – по обесцвечиванию красителей Для широкого диапазона доз ( Гр) - по образованию свободных радикалов в аланине (алифатическая аминокислота, a-аланин, CH3CH2(NH)2COOH, входит в состав многих белков, b-аланин, Н2NCH2CH2COOH, - в состав ряда биологически активных соединений (кофермент аланин, пантотеновая кислота и др.)), которые измеряются методом ЭПР

5.1. Жидкостные (водные) химические детекторы основаны на реакциях, происходящих между растворенными в воде веществами и продуктами радиолиза воды Ферросульфатный детектор (Дозиметр Фрикке, Цыб, 2005, с.82) Основан на свойстве ионов двухвалентного железа Fe 2+ окисляться в кислой среде радикалами ОН* до трехвалентного Fe 3+ В стандартном детекторе при поглощении 100 эВ образуется 15,6 ионов трехвалентного железа. Количество ионов Fe 3+ определяется по плотности окраски реактива (соли роданистого калия KCNS) Интенсивность окрашивания пропорциональна поглощенной дозе. Диапазон измеряемых доз гамма-излучения рад. Детектор чувствителен к органическим примесям

Нитратный детектор Основан на свойстве ионов нитрата NO 3 - восстанавливаться атомарным водородом до нитрит- ионов NO 2 - Нитриты обнаруживаются специальными индикаторами Цериевый детектор Ионы четырехвалентного церия Се 4+ восстанавливаются атомарным водородом до трехвалентного Се 3+

5.2. Химические детекторы на основе хлорзамещенных углеводородов Повышенная чувствительность детекторов объясняется возникновением цепных реакций в веществе детектора, благодаря которым образуется большое количество конечных продуктов детектор на основе хлороформа (СНCl 3 )– при облучении хлороформа образуется соляная кислота (HCl). Выход соляной кислоты повышается в присутствии кислорода. Соляная кислота может быть обнаружена при помощи любого кислотно-основного индикатора (например бромкрезола пурпурного) Детектор на основе четыреххлористого углерода (ССl 4 ) – малочувствительный к излучению ССl 4 при введении в него добавок, имеющих подвижные атомы водорода, позволяет значительно увеличить выход продукта – соляной кислоты.

5.3. Фотографические детекторы Основаны на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для детекторов используют рентгеновскую пленку.

6. Термолюминесцентный метод Основан на способности ИИ создавать в диэлектрических материалах долгоживущие центры свечения в кристаллической структуре, которые элиминируются при последующем нагревании с испусканием света.

Примеры современных индивидуальных дозиметров

Индивидуальные дозиметры SYNODYS / MGPI ЭМ устойчивость превышает требования >100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Emax > 150 кэВ

Индивидуальные гамма-нейтронные дозиметры DMC 2000 GN SYNODYS Электронный прямопоказывающий дозиметр для гамма-излучения и нейтронов в широком диапазоне энергий. Нейтронные измерения: Доза: 10 мкЗв – 10 Зв Мощность дозы: 10 мкЗв/ч – 10 Зв/ч Энергия: 0,025 эВ – 15 МэВ Гамма измерения: Доза: 1 мкЗв – 10 Зв Мощность дозы: 0,1 мкЗв/ч – 10 Зв/ч Энергия: 50 кэВ – 6 МэВ Полиэтилен / Li6 / B10 конвертер/поглотитель (лицензия PTB)

Считыватели индивидуальных дозиметров SYNODYS / MGPI LDM 2000 LDM 220

Индивидуальный дозиметр DIS, SYNODYS / RADOS Диапазон измерений: Hp(10) 1 uSv до 0.5 Sv (40Sv) Hp(0.07) 10 uSv до 0.5 Sv (40Sv) Энергетический диапазон: Hp(10) +30% от 15 keV до 9 MeV Hp(0.07) +30% от 6 keV до 9 MeV Бета частицы: Hp(0.07) +10 … -50% от 240 keV до 2.2 MeV Вес и размер: 41x44x9 мм; 20 г без держателя

Считыватели DIS: DBR-1 и DBR-2 DBR-1 DBR-2

CERN имеет 5000 DIS дозиметров Считыватель DBR-1 в помещении кафе

Современный TLD - считыватель RE-2000, RADOS

Методы биологической дозиметрии (человека) = ретроспективная дозиметрия (выявления последствий дозовых нагрузок на организм при внешнем и внутреннем облучении): Цитогенетические: регистрация частоты хромосомных перестроек в клетках периферической крови или костного мозга; Молекулярно-генетические: выявление частоты клеток- носителей соматических мутаций по отдельным генным локусам в периферической крови с помощью проточной цитометрии; Гематологические: регистрация количества и соотношения форменных компонентов крови в острый радиационный период, Иммунобактериологические: измерение иммунной реактивности облученного организма и состава микрофлоры покровных тканей и кишечника; Биохимические: изменение биохимических свойств биологических жидкостей (крови и мочи) Биофизические: регистрация изменения биофизических свойств молекул (биолюминесценция, электрохемилюминесценция); ЭПР дозиметрия эмали зубов.

Методы на основе хромосомных аберраций Нестабильные аберрации: кариологический тест - официально принят МАГАТЭ в 1986 г. (предложен в 1960-е гг.) Основа метода - Зависимость количества аберраций (в основном, дицентрики и кольца) в лимфоцитах периферической крови и костного мозга от дозы излучения Дает представление о средней поглощенной организмом дозе; Лимфоциты – наиболее радиочувствительные компоненты крови При недостатке лимфоцитов в периферической крови возможно использование лимфоцитов из отделов костного мозга Диапазон доз от уровня природного фона до 1-2 Гр. Метод получил распространения после разработки методики культивирования лимфоцитов человека: Основы метода: -в 1 мл крови содержится 1-3 млн клеток малых лимфоцитов, способных к делению при культивировании. -В периферической крови лимфоциты находятся в естественно-синхронизированном состоянии (G0); -Уровень спонтанных аберраций у клинически здоровых людей не высок (1-1,5%) -Продолжительный первый митотический цикл (2 сут); -Число аберраций при облучении in vivo и in vitro совпадают!! Ограничения: метод дает адекватные результаты в течение короткого периода после острого облучения из-за естественного вымывания аберрантных лимфоцитов из кровотока (2-3 мес) – кол-во аберрантных клеток снижается в 2 раза каждые 2-3 года. ЗАТРУДНЕНА ретроспективная оценка доз у хронически облученных людей и в отдаленные сроки – из-за эффекта малых доз (слишком велик индивидуальный разброс значений)

Стабильные аберрации (транслокации) - «новый» метод для оценки доз в отдаленный период после облучения Транслокации генерируются в периферическую кровь из облученных стволовых клеток костного мозга – сохраняются в течение длительного времени; Экспериментально (1970-е гг) установлена корреляция между физическими дозами и выходом транслокаций у лиц, переживших атомную бомбардировку в 1945 гг Используется метод флуоресцентной in situ гибридизации клеток (FISH), раскрученный после 1986 года – метод основан на селективном окрашивании гомологичных пар хромосом с помощью специфичных к определенным последовательностям ДНК молекулярных зондов. Достоинства: единственный в настоящее время метод ретроспективной оценки доз в отдаленный период! Проблемы: Выбор хромосом для окрашивания; Выбор видов транслокаций; Выбор периода после облучения; Оценка спонтанного уровня транслокаций – транслокации у необлученных лиц встречаются чаще, чем дицентрики. В период с 10 до 65 лет спонтанный уровень транслокаций возрастает с 1.5 до 15 на 1000 клеток; Выбор калибровочных зависимостей; Дорогостоящий метод. The chromosome that is labeled with green and red spots (upper left) is the one where the wrong rearrangement is present.

Микроядерный тест Оценка количества микроядер в популяции клеток и их потомков. Достоинства метода: -Простота (по сравнению с хромосомным анализом) -Экспрессность -Можно применять для асинхронных популяций клеток Недостатки метода: -образование микроядер в клетках крови происходит в результате воздействия на человека не только ионизирующих излучений, но и многих других мутагенов, то есть факторов, способных вызывать наследственные изменения (мутации). К их числу относятся ультрафиолетовое излучение, многочисленные химические соединения, в том числе, некоторые лекарственные препараты, продукты бытовой химии и т.п. Поэтому количество микроядер нельзя однозначно связывать только с дозой ионизирующего излучения. Метод микроядерного теста целесообразно использовать не для оценки доз, а только для выявления групп повышенного риска при массовых обследованиях населения.

Дозиметрия на основе молекулярно- генетических методов Генные мутации возникают в облученных клетках наряду со структурными мутациями (аберрациями) Показана зависимость частоты индукции мутаций в отдельных генах с ростом дозы ( мутаций/Гр) Из-за низкого выхода мутаций на единицу дозы требуется анализ большого числа клеток ( ), поэтому используются клетки периферической крови; Методы проточной цитометрии; В настоящее время исследуют мутации в пяти генетических локусах, контролирующих гемоглобин, главный комплекс гистосовместимости, Т-клеточный рецептор, гликофорин А, гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазу. В целом методы находятся в стадии отработки (см. Цыб и др., 2005, с )

Мутации по локусу Т-клеточного рецептора (TCR, ТкР) Частота TCR-мутантных лимфоцитов коррелирует с дозой в первые несколько лет после облучения, т.к. мутации по TCR-локусу возникают в зрелых лимфоцитах. Время полужизни мутантных клеток – около двух лет. Возможность применения метода ограничена 2-4 годами после облучения. Теоретический порог чувствительности метода – 0,5 Гр. Экспериментальная зависимость от дозы пока не выявлена. Частота TCR-мутантных клеток коррелирует с частотой нестабильных аберраций Также возможно определение частоты мутаций по локусу гипоксантин-гуанин- фосфорилтрансферазы (ГГФРТ) и по ряду других локусов. Т-клеточный рецепторы (TCR, ТкР) поверхностные белковые комплексы Т- лимфоцитов, ответственные за распознавание процессированных антигенов, связанных с молекулами главного комплекса гистосовместимости (MHC) на поверхности антигенпрезентующих клеток.белковыеТ- лимфоцитов антигенов главного комплекса гистосовместимости антигенпрезентующих клеток TCR состоит из двух субъединиц, заякоренных в клеточной мембране и ассоциирован с многосубъединичным комплексом CD3.CD3 Взаимодействие TCR с MHC и связанным с ним антигеном ведет к активации Т-лимфоцитов и является ключевой точкой в запуске иммунного ответа.

Пожизненная дозиметрия – спустя десятки лет после облучения В отдаленный период после облучения оценивается частота селективно нейтральных генных мутаций, возникающих в долгоживущих клетках стволового типа: Проточно-цитометрический анализ частоты клеток с мутациями по локусу гликофорина А Установлена дозовая зависимость; Установлена высокая воспроизводимость параметров линейной зависимости доза-эффект поле радиационного воздействия (от 10 до 45 лет) Показана корреляция с частотой стабильных аберраций Общие проблемы методов оценки генных мутаций: Количество клеток с генными мутациями увеличивается под действием факторов разнообразной природы, а не только ИИ – нет специфического маркера радиационного воздействия. Поэтому частоту мутаций по локусу гликофорина А рассматривают как интегральный показатель генотоксического воздействия в течение всей жизни человека. Гликофори́ны это группа основны́х трансмембранных сиалогликопротеинов (полипептиды) эритроцитов. Состоят на ~60% из углеводного компонента, на 40% из белкового. эритроцитов Присутствие гликофоринов в мембране эритроцитов впервые было показано в 1791 г (Fairbanks et al). Четыре разновидности гликофоринов (гликофорины A, D, C и D) составляют 2% от всех мембранных белков эритроцита. При этом преобладает гликофорин А, присутствующий в количестве 59·10 молекул на клетку. Количество гликофоринов B, C и D составляет 0,83·10, 0,51·10 и 0,2·10 соответственно. Благодаря наличию большого количества остатков сиаловой кислоты, гликофорины ответственны примерно за 60% отрицательного заряда на поверхности эритроцитов.сиаловой кислоты Эти молекулы играют важную роль во взаимодействии эритроцитов между собой, с другими клетками крови и с эндотелием.эндотелием

Оценка численности клеточного состава периферической крови Исследование динамики количества нейтрофилов и тромбоцитов лейко-лимфоцитарный индекс - условная сумма лейкоцитов и лимфоцитов периферической крови Методы в основном работают в области больших доз

Оценка биохимических показателей крови Уровень сахара, билирубина (продукт распада гемоглобина) в крови (повышение при дозах более 4 Гр)

ЭПР-дозиметрия Регистрация ЭПР-центров в эмали удаленных зубов метод используется для оценки индивидуальной дозы облучения; Детектирование: спектроскопическая регистрации ЭПР-сигналов эмали зубов облученных лиц; Физическая основа метода: накопление радиационно-индуцированных радикалов (СО 2 - ) в химической структуре гидроксиапатита, входящего в состав биологической ткани – эмали зубов Гидроксиапатиты (Са 10 (РО 4 ) 6 (ОН 2 )) являются основной формой фосфата кальция костей и зубов.

История метода – В 1968 г. при ЭПР-спектроскопии бедренной кости и эмали зубов млекопитающих, облученных в дозах Гр, обнаружена строгая линейная зависимость величины ЭПР-сигнала от дозы. –В эмали зубов радиационно-индуцированные резонансные центры дают наиболее интенсивные сигналы, чем в других тканях. Эмаль образуется в детстве. –В основе сигналов – образование свободных радикалов СО 2 -3 в результате захвата свободных электронов, появляющихся в облученной эмали, комплексом СО Достоинства метода: Длительное время жизни ЭПР-центров - в зубной эмали они могут сохраняться (10 7 )10 9 лет (при t=25 о С). Недостатки метода: резонансные центры образуются под действием ультрафиолета Трудоемкость набора материала (удаленных зубов); При наличии остеотропных радионуклидов ( 90 Sr) – образование дополнительных ЭПР-центров.

Метод определения поглощенных доз внешнего гамма-излучения по спектрам электронного парамагнитного резонанса зубной эмали (ГОСТ Р ) БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ КОНТРОЛЬ НАСЕЛЕНИЯ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННЫХ ДОЗ ВНЕШНЕГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО СПЕКТРАМ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА ЗУБНОЙ ЭМАЛИ Окончательная редакция Издание официальное ГОССТАНДАРТ РОССИИ Москва ГОСТ Р РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским испытательным центром радиационной безопасности космических объектов Федерального управления медико-биологических и экстремальных проблем при Минздравмедпроме России с участием Института биофизики Минздравмедпрома России, Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений Госстандарта России, Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья Геолкома при Совете Министров России, Товарищества с ограниченной ответственностью "Тритон" ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 71 "Гражданская оборона, предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций" ВВЕДЕН Издательство стандартов, 1995

Следующая тема: Биологическое действие неионизирующего излучения