Promieniowanie jonizujące towarzyszy nam od zarania dziejów - jest wiec elementem składowym rzeczywistości w której żyjemy. Źródła tego promieniowania maja różnorodna naturę. Są nimi źródła naturalne, do których należą pierwiastki promieniotwórcze zawarte w skorupie ziemskiej i w atmosferze, należy do nich także pozaziemskiego pochodzenia promieniowanie kosmiczne. Są nimi również źródła sztuczne, wytwarzane przez człowieka dla celów technicznych, medycznych i innych. Należą do nich także radioaktywne nuklidy, stanowiące (niestety) rezultaty wybuchów jądrowych oraz awarii urządzeń i sprzętów jądrowych. 

Promieniowanie jonizujące, wykryte niewiele ponad 100 lat temu  (w roku 1896) przez Becquerqlla i badane intensywnie przez naszą rodaczkę Marię Skłodowską-Curie i jej męża Pierre'a, stanowi jedno z bogactw naszej rzeczywistości i może być wykorzystywane zarówno dla dobra jak i szkody człowieka. Z tego punktu widzenia promieniowanie to nie różni się od promieniowania elektromagnetycznego o większych długościach fal, tj. nie wywołującego jonizacji atomów ale wywołującego efekty świetlne i cieplne, nie różni się od procesów przepływu ładunków elektrycznych, czyli prądu elektrycznego, nie różni się od procesów chemicznych i biologicznych. Wszystkie te zjawiska i procesy mogą mieć dodatni lub ujemny wpływ na zarówno na ludzi i zwierzęta, jak i na materię nieożywioną.

Istotna różnica pomiędzy promieniowaniem jonizującym a innymi zjawiskami i procesami wspomnianymi powyżej polega na trudnościach z wykryciem tego promieniowania oraz ocenie jego intensywności i wpływu na poddane promieniowaniu obiekty. Człowiek nie jest wyposażony w zmysł umożliwiający bezpośrednie wykrycie promieniowania jonizującego, podczas gdy reaguje na światło, ciepło, smak czy zapach. To właśnie może być przyczyną wielu obaw i przesądów dotyczących stosowania urządzeń wykorzystujących bądź produkujących materiały promieniotwórcze. Dlatego tak ważna jest umiejętność detekcji różnych typów promieniowania jonizującego oraz oceny jego intensywności i wpływu na organizmy żywe.

Podstawowe pojęcia i jednostki dozymetrii 

Aktywność źródła promieniotwórczego określamy jako liczbę rozpadów promieniotwórczych zachodzących w jednostce czasu. Jednostką aktywności w układzie SI jest bekerel (Bq) zdefiniowany jako

(18.7.1)

Dla różnorodnych praktycznych zastosowań określa się też aktywność właściwą, którą jest aktywność jednostki masy, objętości albo powierzchni danej substancji promieniotwórczej. Aktywność właściwą określa się więc w Bq/kg, Bq/m³ albo w Bq/m². 

Jednostką wprowadzoną wcześniej, ale wciąż używaną, jest kiur (Ci) określony jako 

(18.7.1a)

co stanowi w przybliżeniu aktywność 1g radu. (Nietrudno odgadnąć związki tej jednostki z nazwiskiem i działalnością Marii i Pierre'a Curie.)

Średnia dawka pochłonięta (D)

Z punktu widzenia skutków oddziaływania promieniowania na obiekty materialne ważna jest ilość energii wydzielana w danym materiale wskutek napromienienia. Ważne jest również w jakiej objętości, a częściej - w jakiej masie energia ta wydzieliła się. Dlatego średnia dawka pochłonięta (D) określona jest jako energia E wydzielona w jednostce masy danego materiału tj.

(18.7.2)

 gdzie m jest masą substancji w której wydzieliła się energia E. 

Jednostką średniej dawki pochłoniętej jest jeden grej (Gy) określony jako 

(18.7.3)

tzn. kiedy energia jednego dżula została zaabsorbowana w masie jednego kilograma. Często użyteczne jest też, podane wyżej, wyrażenie tej jednostki w megaelektronowoltach na kilogram.

Wcześniej zdefiniowaną i używaną jeszcze jednostką jest

(18.7.3a)

Moc dawki

Ważne jest również w jakim czasie określona dawka została pochłonięta. Zależność tę wyraża moc dawki zdefiniowana jako dawka pochłonięta w jednostce czasu

(18.7.4)

Moc dawki może być wyrażona np. w grejach na rok (Gy/a), w grejach na godzinę (Gy/h) itd.

Przy pracy z punktowymi źródłami promieniotwórczymi bardzo ważne jest pamiętać, że intensywność promieniowania zmniejsza się z odległością  r od źródła jak 1/r².  Jest to prostą konsekwencją faktu, że źródło punktowe emituje w dany kąt bryłowy daną liczbę cząstek na jednostkę czasu.

Ilustruje to  rysunek obok. Pamiętając, że kąt bryłowy , to stosunek powierzchni S widzian ej z punktu źródła do kwadratu odległości tej powierzchni od źródła, , otrzymujemy dla stałej powierzchni S zmniejsz anie się kąta bryłowego z odległością od źródła Z jak 1/r2.  Pamiętajmy o tym przy przenoszeniu źródeł i ich przechowywaniu - zawsze w jak największej odległości od obiektów, które chcemy chronić przed promieniowaniem.

Rys 18.7.1 Ilustracja zależności 1/r2. Przy czterokrotnym wzroście odległości kąt bryłowy odpowiadający stałej powierzchni S1 maleje szesnastokrotnie.

Przykłady: Wyznaczamy moc dawki dla materiału znajdującego się w odległości r od źródła o aktywności A emitującego fotony o energii . W tym celu:

1. Określamy liczbę fotonów N, jaka pada w czasie dt na powierzchnię S napromienianego materiału położoną w odległości r od źródła:

(18.7.5)

gdzie jest liczbą fotonów emitowanych w czasie dt ze źródła we wszystkich kierunkach wskutek zachodzących w nim przemian promieniotwórczych związanych z emisją fotonów, zaś wyrażenie ułamkowe określa jaką część pełnego kąta bryłowego stanowi kąt bryłowy odpowiadający powierzchni S widzianej z odległości r.

2. Określamy jaka energia jest w rezultacie pochłaniana w warstwie o grubości dr:

(18.7.6)

gdzie jest liniowym (index x) współczynnikiem absorpcji (indeks a) fotonów o energii . Widzimy również, że pochłaniana energia jest proporcjonalna do objętości materiału .  Masa substancji dm zawarta w tej objętości równa jest , gdzie jest gęstością napromienianego materiału. 

3. Określamy dawkę pochłoniętą jako energię zaabsorbowaną w jednostkę objętości materiału, czyli mamy

(18.7.7)

Zauważamy, że , to masowy współczynnik absorpcji fotonów o energii w materiale o gęstości .  

4. Określamy moc dawki jako dawkę pochłonięta w jednostce czasu otrzymując

(18.7.8)

Widzimy, że moc dawki jest proporcjonalna do aktywności źródła, energii fotonów i masowego współczynnika ich absorpcji, zaś odwrotnie proporcjonalna jest do odległości materiału od źródła. Wartości masowych współczynników absorpcji dla aluminium i ołowiu podane są na wykresach zamieszczonych w segmencie poświeconym oddziaływaniu fotonów z materią.

Moc dawki wewnątrz chmury radioaktywnej o stałym stężeniu aktywności a_m, tj. aktywności przypadającej na jednostkę masy, może być określona prostym wzorem  

.

(18.7.9)

gdzie jest średnia energią fotonów emitowanych przez substancje promieniotwórcze obecne w chmurze radioaktywnej. Oznacza to, że cała energia fotonów przypadająca na jednostkę masy jest zaabsorbowana. Zakładamy tu, że masowe współczynniki absorpcji w powietrzu i w napromienianym obiekcie są takie same, co z niezłym przybliżeniem spełnione jest dla tkanki miękkiej i dla dużego zakresu energii fotonów. Zakładamy też, że rozmiary chmury są na tyle duże, że nie odgrywają rolę efekty brzegowe i tj. promień chmury jest większy od średniej drogi swobodnej fotonu. Dla fotonów o energii 1MeV średnia droga swobodna wynosi ok. 130m. Podobne zależności mamy dla przypadku źródeł wewnętrznych emitujących promieniowanie alfa lub beta, bowiem ze względu na krótki zasięg tych cząstek w materii, cała ich energia zostaje zaabsorbowana.

Ekspozycja lub dawka ekspozycyjna (X)

Stosowanym w dozymetrii pojęciem jest też ekspozycja lub dawka ekspozycyjna (X). W tym przypadku określa się nie energię zdeponowaną w materii ale ładunek jonów, wytworzonych wskutek oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego (promieni: rentgena lub gamma) w jednostce masy materii.  

(18.7.10)

gdzie Q jest ładunkiem wytworzonym w masie m napromienionego materiału. Jednostką ekspozycji jest jednostka ładunku (jeden kulomb) wytworzona w jednostce masy (kilogram) czyli 1C/kg. Wcześniej stosowaną jednostką był  rentgen (1R) zdefiniowany jako taka dawka promieniowania rentgena lub gamma, która w wytwarza w  0.001293 grama powietrza (jest to masa 1 cm³ powietrza w warunkach normalnych) jedną jednostkę elektrostatyczną (esu) jonów obu znaków. Związek pomiędzy oboma jednostkami jest następujący:

(18.7.11)

Wielkość wytworzonego ładunku wskutek procesów jonizacji wiąże się ze zdeponowaną w materiale energią, dlatego można określić związek pomiędzy dawką pochłoniętą i ekspozycyjną, biorąc za podstawę średnią energię potrzebną do wytworzenia pary jonów w powietrzu. Wynika z tego, że 1R odpowiada dawce pochłoniętej równej .

Pomiar dawki ekspozycyjnej można zrealizować z pomocą komory jonizacyjnej umieszczonej w wiązce promieniowania rentgenowskiego. Schemat układu pomiarowego pokazany jest na rysunku 2.

Lampa rentgenowska emituje z tarczy T promieniowanie, które przechodzi przez przesłonę P o powierzchni A i wpada d komory jonizacyjnej wypełnionej powietrzem. Elektrony i jony wytworzone wskutek oddziaływania fotonów z atomami powietrza wewnątrz komory zbierane są na elektrodach Q i Q'.Z zależności geometrycznych nietrudno jest określić objętość komory w której następuje propagacja promieniowania czyli fragment stożka określony na rysunku punktami DEFG. Masa powietrza w tej objętości może być określona wzorem gdzie jest gęstością powietrza, A' - polem przekroju poprzecznego wiązki w środku komory, a L jest długością komory.

Rys. 18.7.2. Schemat komory jonizacyjnej do pomiaru dawek ekspozycyjnych

Praktyczna realizacja takiego pomiaru napotyka na pewne trudności, bowiem część ładunków oznaczona e1 "ucieka" z obszaru komory i nie jest zebrana przez układ elektrod Q i Q'. Z drugiej strony, ładunki generowane na zewnątrz komory mogą przeniknąć do wewnątrz. Efekt ten wymaga starannego doboru układu geometrycznego pomiaru przy którym następuje kompensacja obu efektów. Kiedy na elektrodach zebrany został ładunek Q, to wartość dawki ekspozycyjnej może być wyznaczona na podstawie pomiarów zgodnie z definicją tj.

(18.7.12)

Kerma

Cząstki nienaładowane, np. neutrony, nie powodują jonizacji, ale w wyniku ich oddziaływania z materią pojawiają się cząstki naładowane wskutek odrzutu w reakcjach rozproszeń elastycznych bądź emitowane jako produkty reakcji jądrowych wywołanych przez cząstki nienaładowane. Dotyczy to także fotonów, które rejestrowane są za pośrednictwem elektronów uwalnianych w którymś z procesów oddziaływania fotonów z materią. Zjawiska wtórnej jonizacji przy obliczaniu dawek pochodzących od cząstek nienaładowanych uwzględnia wielkość zwana kermą (K). Nazwa pochodzi od angielskiego sformułowania "Kinetic Energy Released in unit Mass". Wielkość ta określona jest jako

,

(18.7.13)

gdzie dE jest sumą początkowych energii kinetycznych wszystkich cząstek naładowanych, które uwolnione zostały wskutek oddziaływania  cząstek nienaładowanych w małym elemencie materii o masie dm. Jednostką kermy jest także jeden dżul na kilogram czyli 1Gy. Zwróćmy uwagę, że wartość dawki pochłoniętej może być mniejsza od kremy, bowiem energia zdeponowana w materiale może być mniejsza od wspomnianej sumy początkowych energii cząstek naładowanych. Dla przykładu, elektrony przechodząc przez materię zarówno wywołują jonizację jak i emisję promieniowania hamowania, które może opuścić materiał nie deponując tam swej energii. 

Zmiana aktywności w czasie

W dotychczasowych naszych rozważaniach zakładaliśmy, że aktywność źródła można uznać za stałą w rozważanych przedziałach czasu. Często nie jest to spełnione i wówczas musimy brać pod uwagę zmianę w czasie  aktywności źródła. Zgodnie z prawem rozpadu promieniotwórczego,  zależność aktywności źródła promieniotwórczego od czasu ma postać

,

(18.7.1)4

Na ogół znamy wartość okresu połowicznego zaniku źródła T. Zapiszmy więc dla przykładu wzór na całkowitą dawkę pochłoniętą wskutek rozpadu źródła promieniotwórczego, jeśli początkowa moc dawki wynosiła .

,

(18.7.15)

Oddziaływanie promieniowania na organizmy żywe

Oddziaływanie promieniowania na układy biologiczne prowadzi do zmiany ich struktury komórkowej. Zmiany te mogą prowadzić do modyfikacji lub śmierci komórki, w szczególności gdy uszkodzeniu ulegnie struktura DNA. Klonowanie zmodyfikowanych komórek może prowadzić do powstania nowotworu. W organizmie istnieją mechanizmy naprawy uszkodzonych komórek, pojawia się więc relacja pomiędzy wielkością dawki pochłoniętej na jednostkę czasu a końcowym skutkiem napromienienia. Także różne typy komórek są w różny sposób wrażliwe na promieniowanie jonizujące. Do określenia skutków biologicznych napromienienia nie wystarczy więc znajomość dawki pochłoniętej. 

Zależność skutków biologicznych od typu i energii promieniowania określa dawka równoważna H, którą można zapisać w formie

,

(18.7.16)

gdzie indeks _T odnosi się do danej tkanki, a indeks _R do promieniowania danego typu i danej energii. Przez w_R oznaczony jest tzw. czynnik wagowy promieniowania, zaś D_TR jest średnią dawką promieniowania danego typu i energii pochłoniętego przez daną tkankę.

Dawce pochłoniętej wyrażonej w Gy odpowiada dawka równoważna wyrażona w siwertach (Sv). Dla przykładu, dawce pochłoniętej równej 1Gy promieniowania gamma odpowiada dawka równoważna równa 1Sv, ale takiej samej dawce pochłoniętej promieniowania alfa odpowiada dawka równoważna równa 20Sv.  

Zależność skutków biologicznych od rodzaju tkanki wyraża dawka efektywna E określona następująco

,

(18.7.17)

gdzie czynnik wagowy w_T odnosi się do danej tkanki. W tabeli poniżej zamieszczone są czynniki wagowe tkanek.

Dla przykładu, dawce efektywnej dla płuc wynoszącej 1mSv odpowiada dawka efektywna dla wątroby wynosząca  ( 1mSv*0.12/0.05=2.4mSv). Kiedy napromienione jest całe ciało, to dawka efektywna równa jest dawce równoważnej. Należy zaznaczyć, że czynniki w_T podane w tabeli powyżej zawierają uśrednione wartości dla obu płci i szerokiego zakresu wieku stanowiąc ogólną informację o zagrożeniu pochodzącym od napromienienia różnych organów i tkanek. W indywidualnych przypadkach mogą być znaczne odstępstwa ryzyka w stosunku do tych uśrednionych oszacowań.

Wprowadza się też pojęcie dawki obciążającej jako sumarycznej dawki otrzymanej w ciągu określonego czasu uwzględniającej napromienianie pochodzące od źródeł zewnętrznych i wewnętrznych jak też zmiany w czasie aktywności wchłoniętych źródeł.

Skutki napromienienia

Wyróżnia się dwa typy skutków napromieniania. 

Skutki stochastyczne - to takie, które występują z określonym prawdopodobieństwem, czyli mogą, ale nie muszą wystąpić. Na ogół zakłada się , że prawdopodobieństwo to zależy w sposób liniowy od otrzymanej dawki. Do skutków stochastycznych zalicza się choroby nowotworowe, a także zmiany dziedziczne u potomstwa. Należy tu zauważyć, że określenie tego prawdopodobieństwa jest trudne, a niekiedy dyskusyjne, bowiem ujawnienie się nowotworu może nastąpić ze znacznym opóźnieniem i może być spowodowane różnorodnymi przyczynami, innymi niż otrzymane i mierzone dawki promieniowania. 

Skutki deterministyczne mają miejsce w przypadku otrzymania stosunkowo dużych dawek i stanowią przejściowe lub trwałe uszkodzenia tkanek. W przypadku wysokich dawek może dojść do choroby popromiennej, która może prowadzić do śmierci. Skutki tego typu pojawiają się dla dawek przekraczających 0.5Gy, chociaż należy pamiętać, że wartość ta może być znacznie mniejsza dla poszczególnych organów (patrz Tabela powyżej). 

Hormeza radiacyjna

Hormeza - to zjawisko w którym czynnik szkodliwy dla organizmu, kiedy aplikowany jest w dużych ilościach - nie szkodzi, a nawet  wywołuje skutki korzystne, kiedy aplikowany w ilościach niewielkich. Jak wiemy, zażywanie nadmiernej ilości środków leczniczych może być szkodliwe dla organizmu, zaś w małych ilościach - służy zdrowiu. Prowadzone analizy zjawiska hormezy dla promieniowania jonizującego pokazują, że zjawisko to ma miejsce także w przypadku małych dawek promieniowania. Zauważono, że osoby napromienione małymi dawkami są bardziej odporne na duże dawki, bowiem wytwarza się u nich system obronny, który zmniejsza ryzyko zachorowań na choroby nowotworowe i prawdopodobieństwa skutków genetycznych. Jak wiemy, każdy z nas na Ziemi otrzymuje określone dawki wskutek promieniowania naturalnego, pochodzącego ze skorupy ziemskiej i kosmosu. Dawki te są różne dla różnych obszarów Ziemi. Prowadzone analizy pokazują, że dawki odpowiadające zjawisku hormezy radiacyjnej są znacznie większe od średnich dawek pochodzenia naturalnego. Przyjmowana w ochronie radiologicznej hipoteza liniowa, w myśl której ujemne konsekwencje napromieniania mają charakter zależności liniowej poczynając od najmniejszych dawek, może więc być kwestionowana. Przyjęcie tej hipotezy oznacza konieczność aktywnej ochronę przed najmniejszymi nawet dawkami, co niekoniecznie prowadzi do zmniejszenia prawdopodobieństwa zachorowania. Dlatego ważne jest prowadzenie badań mających na celu miarodajne określenie skutków oddziaływania promieniowania na organizmy żywe.

Określoną dawkę otrzymujemy wskutek oddziaływania promieniowania na każdego z nas w ciągu roku. Źródła tego promieniowania są bardzo zróżnicowane. Rysunek poniżej przedstawia udział różnych źródeł promieniowania w średnim rocznym efektywnym równoważniku dawki (odpowiadającym dawce efektywnej zdefiniowanej powyżej) otrzymanym przez mieszkańca Polski w 1996 roku. Dane te zaczerpnięte są z "Radiologicznego Atlasu Polski" wydanego przez Państwową Inspekcję Ochrony Środowiska we współpracy z Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej oraz z Państwową Agencją Atomistyki.

Widzimy, że dawka ta wynosiła 2.9mSv. Zdecydowana jej większość (około 76%) pochodzi od promieniowania naturalnego w tym ok. 40% od promieniotwórczego gazu Radonu i jego pochodnych. Wśród sztucznych źródeł zasadniczy wkład mają źródła medyczne, głównie - badania radiologiczne (prześwietlenia). Należy o tym pamiętać i nie dokonywać ich bez wyraźnej potrzeby. Dokładniejsza analiza pokazała, że dawka spowodowana promieniowaniem radionuklidów pochodzenia sztucznego wyniosła ok. 0.033mSv. Jest to zaniedbywana cześć całkowitej dawki efektywnej. 

A oto informacje na temat dozymetrii zebrane przez jedną ze studentek Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Zestawienie podstawowych wiadomości z dozymetrii przekazywane pracownikom naukowym mającym styczność z promieniowanie jonizującym znaleźć też można w "Particle Physics Booklet".