Грей
Производная единица СИ · величина: поглощённая доза ионизирующего излучения
01 · Определение
Один грей — джоуль энергии ионизирующего излучения, поглощённый килограммом вещества. Величина чисто энергетическая: она не знает ни про тип излучения, ни про то, живая перед ней ткань или свинцовая плита.
Энергии здесь удивительно мало. Смертельная для человека доза в четыре грея нагревает тело примерно на одну тысячную градуса — столько же даёт секунда работы электрической лампочки. Опасность создаёт не тепло, а способ доставки: излучение рвёт молекулы поодиночке, и разорванная нить ДНК не восстанавливается от того, что энергии было мало. Именно поэтому радиологи говорят про грей, а не про градусы: грей считает энергию, но смысл её в числе разрушенных связей.
Гамма-квант рассыпает свою энергию по длинному пути редкими ионизациями, альфа-частица выкладывает её на нескольких микрометрах сплошной дорожкой разрывов. Поглощённая доза в обоих случаях одна и та же, а биологический результат отличается в двадцать раз. Именно поэтому рядом с греем существует зиверт: он умножает дозу на взвешивающий коэффициент излучения и уже отвечает на вопрос об опасности. Для рентгена и гамма-излучения коэффициент равен единице, и числа совпадают — отсюда привычка путать единицы.
02 · Пересчёт
Введите дозу — паспорт разложит её по единицам
Рад держался в медицине до девяностых и до сих пор встречается в американских протоколах. Рентген измеряет не дозу в ткани, а ионизацию воздуха, поэтому пересчёт условен: коэффициент зависит от энергии излучения и от того, какая ткань облучена.
Рад появился в 1953 году как «radiation absorbed dose» и был выбран сотней эргов на грамм — величиной, близкой к дозе от одного рентгена в мягкой ткани. Когда в 1975 году ввели грей, соотношение оказалось некруглым в другую сторону: сто рад в одном грее. Американские клиники переходили на новую единицу почти двадцать лет, и в старых историях болезни встречаются обе записи рядом — с риском ошибиться в сто раз.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| Gy | грей, единица СИ | 2 | лучевая терапия, дозиметрия |
| mGy | миллигрей | 2000 | диагностика, томография |
| µGy | микрогрей | 2 000 000 | снимки, природный фон |
| kGy | килогрей | 0,002 | стерилизация, обработка продуктов |
| J/kg | джоуль на килограмм | 2 | определение единицы |
| Gy·kg | энергия на 70 кг тела | 140 | полная поглощённая энергия |
| рад | radiation absorbed dose, 1953 | 200 | США до 1990-х, старые истории болезни |
| мрад | миллирад | 200 000 | дозиметрия персонала |
| эрг/г | эрг на грамм | 20 000 | исходная запись рада |
| R | рентген в воздухе, приближённо | 227,27 | ионизация воздуха, не ткани |
| бэр | биологический эквивалент, при коэффициенте 1 | 200 | аналог зиверта в старых нормах |
| Gy | грей | 2 | современная единица |
Грей считает энергию, отданную веществу. Вред здоровью — это уже зиверт: та же размерность, но с поправкой на тип излучения.
03 · Порядки величин
от снимка зуба до промышленного облучателяДва грея: разовая фракция лучевой терапии
04 · Приборы измерения
Чем измеряют поглощённую дозу
Единственный прибор, измеряющий дозу напрямую по определению: облучённый блок графита нагревается, и термометр ловит рост температуры в микрокельвинах. Первичный эталон национальных лабораторий, требующий защиты от сквозняков сильнее, чем от радиации.
Рабочий инструмент клиники: наперстковая камера в водном фантоме собирает заряд, созданный излучением, и по нему считает дозу. Показания привязаны к калориметру через цепочку поверок, а стенки подбирают так, чтобы камера отвечала как вода.
Кристалл фторида лития запоминает дозу, удерживая выбитые электроны в дефектах решётки. При нагреве до трёхсот градусов он отдаёт их светом, яркость которого пропорциональна дозе. Такие таблетки носят на халате сотрудники клиник и АЭС.
Гель полимеризуется там, куда пришла доза, и облучённый объём потом читают томографом: получается трёхмерная карта. Радиохромная плёнка делает то же в плоскости, темнея прямо под пучком без всякой проявки, — ею проверяют сложные планы облучения.
05 · Правила записи
Gy — энергия, Sv — риск
Символ пишется с заглавной G и строчной y, русское обозначение — Гр. Доза в греях всегда относится к конкретному органу или объёму: «две тысячи греев на опухоль» без указания органа не значит ничего. В лучевой терапии дозу принято записывать вместе с числом фракций.
Зиверт и грей делят одну размерность, поэтому формально их можно перепутать без арифметической ошибки — и именно поэтому брошюра СИ разрешила обеим величинам иметь собственные имена. Правило простое: если речь про энергию, отданную веществу, это греи; если про вред здоровью с учётом типа излучения, это зиверты. Мощность дозы записывают как Gy/s или Gy/min, а в радиобиологии часто используют мощность в греях в час.
06 · Соседние единицы
Радиологическая тройка идёт по цепочке: беккерель считает распады в источнике, грей — энергию, дошедшую до вещества, зиверт — ожидаемый вред. Каждый следующий шаг требует данных, которых нет в предыдущем.
Взвешивающий коэффициент равен единице для рентгена, гамма-излучения и электронов, двадцати для альфа-частиц и от пяти до двадцати для нейтронов в зависимости от энергии. Из паспортов Simetrium к грею примыкают беккерель, зиверт, джоуль и килограмм, из которых он собран, и кюри с рентгеном в историческом разделе.
07 · Исторический раздел
Как научились измерять то, что не видно
Первой мерой облучения служила доза, вызывающая заметное покраснение кожи. Врач облучал пациента, пока не появлялась эритема, и это считалось единицей. Порог зависел от человека, от энергии трубки и от того, как долго смотрел врач.
Первая физическая единица: количество ионизации, создаваемое излучением в кубическом сантиметре воздуха. Объективная, воспроизводимая — но измеряющая воздух, а не пациента, и работающая только для рентгеновского и гамма-излучения.
Комиссия по радиологическим единицам ввела рад — сто эргов на грамм. Величина наконец описывала то, что происходит в ткани, и её выбрали близкой к дозе от одного рентгена, чтобы врачам не пришлось переучиваться.
Генеральная конференция назвала единицу в честь британского радиобиолога, работавшего над действием излучения на ткани и над нейтронной терапией. Грей — тот же рад, увеличенный в сто раз до целого джоуля на килограмм.
Единица, которую почти никто не измеряет напрямую
Определение грея зовёт измерить нагрев, но нагрев этот исчезающе мал: терапевтические два грея поднимают температуру ткани на половину тысячной доли градуса. Калориметр справляется только потому, что стоит в вакуумной оболочке и ловит микрокельвины на графитовом блоке; в клинике так не работают. Там измеряют ионизацию в камере и переводят её в дозу через коэффициенты, привязанные к калориметру цепочкой поверок из трёх-четырёх звеньев. Неопределённость на выходе — около двух процентов, и это считается хорошим результатом: в лучевой терапии превышение дозы на пять процентов уже меняет исход лечения. Отдельная сложность в том, что доза зависит от вещества: один и тот же пучок отдаёт кости и мягкой ткани разную энергию, поэтому в отчётах всегда пишут, доза в чём именно — в воде, в воздухе или в ткани.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные единицы, без которых не обходится ни техника, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи. На 36 языках.