Керма
Характеристикой поля косвенно ионизирующего излучения в некоторой точке среды является керма[22]. Она определяется как отношение среднего значения суммы начальных кинетических энергий всех заряженных ионизирующих частиц (электронов, позитронов, протонов, альфа-частиц и др.), образовавшихся под действием ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе вещества в этом объеме:
. | (3.12) |
Здесь - полная средняя кинетическая энергия заряжен-ных частиц, высвобождаемых в элементарном объеме; dm – масса этого объема.
Единица поглощенной дозы джоуль на килограмм (Дж/кг) носит специальное наименование грей (Гр)[23]. 1 Гр = 1 Дж/кг.
Значение кермы излучения в некоторой точке облучаемого вещества зависит только от свойств излучения и свойств облучаемой среды непосредственно в рассматриваемой точке. Керма не зависит от свойств среды, в которой распространяется излучение, и от направленности поля излучения. Например, значения кермы фотонов в элементе биологической ткани, окруженном вакуумом или водой, будут равны, если флюенс и энергия фотонов, взаимодействующих с этой тканью, в обоих случаях будут равными. В практике радиационной защиты широко используется керма в воздухе, Kа, величиной которой характеризуют поле ионизирующего излучения в месте возможного пребывания человека.
Принимая во внимание (3.2) и (3.8), можно записать связь между кермой K и флюенсом частиц Ф:
(3.13)
где - распределение флюенса частиц по энергии; m tr , m (Е) - массовый коэффициент передачи энергии фотонов с энергией Е веществу.
Для моноэнергетического излучения с энергией Е
K = m tr,m (Е)×F× Е; | (3.14) |
для воздушной кермы
, | (3.15) |
где - массовый коэффициент передачи энергии фото-нов в воздухе.
Согласно формуле (3.12), керма определяется кинетической энергией вторичных заряженных частиц, возникающих в веществе под действием первичного излучения, в том числе и той ее частью, которая расходуется затем на тормозное излучение.
Производная кермы по времени называется мощностью кермы:
(3.16)
Единица мощности кермы - Гр/с. Мощность кермы характеризует среднюю скорость изменения кермы в течение промежутка времени dt, поэтому длительность этого промежутка должна быть достаточно малой, чтобы различия между средним и мгновенным значениями мощности кермы в этом промежутке были невелики. В качестве такого промежутка принимают секунду, минуту или час и значение мощности кермы выражают в единицах Гр/с, Гр/мин, Гр/ч.
Экспозиционная доза
Экспозиционная доза была первой дозиметрической величиной, используемой в дозиметрии фотонного излучения. Величина экспозиционной дозы и ее единица (рентген) были введены в практику дозиметрии рентгеновского излучения решением II Международного радиологического конгресса в 1928 г., когда был известен только один тип сильнопроникающего излучения – фотонное излучение.
Экспозиционная доза является характеристикой поля фотонного излучения, отражающей взаимодействие излучения с воздухом. Эта величина равна отношению средней величины суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонами в единице массы воздуха dm:
(3.17) |
Единица экспозиционной дозы - кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р)[24], определенный таким образом, что при экспозиционной дозе 1 Р в 1 см3 (0,001293 г) воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов образуются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества (1 ед. СГСЭ[25]) каждого знака: . Поскольку 1 Кл = 3×109 СГСЭ, то 1 Р = 2,58×10-4 Кл/кг; 1 Кл/кг = 3,88×103 Р.
Экспозиционная доза применима только для характеристики поля фотонного излучения с энергией фотонов от 1 кэВ до 3 МэВ, распространяющегося в воздухе. Неоспоримым преимуществом ее практического использования является возможность непосредственного измерения экспозиционной дозы с помощью прибора, измеряющего ионизацию воздуха, например, с помощью ионизационной камеры.
Несложно установить связь между экспозиционной дозой Х и кермой фотонного излучения в воздухе Kа. Так, керма есть сумма начальной кинетической энергии всех электронов и позитронов, освобожденных фотонами в единице массы воздуха. При торможении в воздухе эти заряженные частицы тратят часть своей энергии g на тормозное излучение; остальная энергия идет на ионизацию и возбуждение атомов среды. Следовательно, экспозиционная доза
, (3.18) |
где е – элементарный заряд, равный 1,602×10-19 Кл; w – средняя энергия, необходимая для образования электронами одной пары ионов в воздухе, равная 33,85 эВ. Если пренебречь энергией тормозного излучения Еs, что вполне допустимо для фотонов с низкими и средними энергиями, то, принимая во внимание формулу (3.15), получаем
(3.19) |
Керма фотонного излучения в воздухе является энергетическим эквивалентом экспозиционной дозы. Учитывая, что 1 МэВ = 1,602×10-13 Дж и плотность воздуха в нормальных условиях rвозд = 1,2928×10-3 г/см3, несложно показать, что в одной и той же точке поля фотонного излучения в воздухе при экспозиционной дозе 1 Р значение кермы в воздухе будет равно примерно 8,7 мГр.
Поглощенная доза
Энергия Eim, переданная излучением ограниченному объему вещества dm, равна разности между суммарной кинетической энергией всех заряженных и незаряженных частиц и квантов, входящих в рассматриваемый объем, и суммарной кинетической энергией всех заряженных и незаряженных частиц и квантов, выходящих из этого объема:
Eim = Rin – Rout + S Q, | (3.20) |
где Rin – энергия поля излучения, входящая в рассматриваемый объем (без учета энергии покоя); Rout – энергия поля излучения, выходящая из рассматриваемого объема (без учета энергии покоя); S Q – изменение энергии покоя ядер или частиц, которое произошло в объеме. Индекс im[26] указывает на то, что рассматривается только та часть энергии излучения, переданной веществу, которая была поглощена в рассматриваемом объеме вещества. Величину Eim называют энергией, переданной мишени.
Следует отметить разницу в физическом смысле поглощенной дозы и кермы. Доза характеризует фактически поглощенную энергию в некотором объеме вещества как за счет тех заряженных частиц, которые образовались в пределах этого объема в результате взаимодействия первичного косвенно ионизирующего излучения с веществом, так и за счет заряженных частиц, пришедших извне. Керма характеризует энергию, переданную косвенно ионизирующим излучением заряженным ионизирующим частицам в пределах рассматриваемого объема.
Энергия, поглощенная в единице массы вещества в форме ионизаций и возбуждений атомов и молекул, получила название поглощенной дозы, которая является величиной, характеризующей воздействие ионизирующего излучения на вещество, и отражает изменение состояния элементарного объема вещества под действием излучения. Поглощенная доза равна отношению средней энергии dEim, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
(3.21)
Единица поглощенной дозы джоуль на килограмм (Дж/кг) носит специальное наименование грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг.
Производная дозы по времени называется мощностью поглощенной дозы:
(3.22)
Единица мощности поглощенной дозы - Гр/с. Величина мощности дозы не используется для представления изменения дозы за большие промежутки времени. В этом случае говорят о приращении дозы за определенное время - сутки, месяц, год. Такое приращение называют суточной, месячной или годовой дозой и выражают в единицах Гр в сут, Гр в мес, Гр в г. соответственно.
Определенная таким образом величина поглощенной дозы характеризует изменение состояния элементарного объема вещества, расположенного в окрестности некоторой точки облучаемой ткани. Ее иногда называют «поглощенная доза в точке». Значение поглощенной дозы в точке зависит не только от свойств излучения и свойств облучаемого вещества непосредственно в рассматриваемой точке, но и от свойств среды, в которой распространяется излучение. Она зависит также и от направленности радиационного поля.
Для примера можно рассмотреть, как изменяется поглощенная доза по глубине поглощающей среды (рис. 3.3). Пусть на плоскую границу раздела вакуум-полубесконечная поглощающая среда нормально падает параллельный пучок γ-квантов. Обозначим d глубину расположения точки-детектора в среде, в которой определяется поглощенная доза. В точке на поверхности раздела при d = 0 (точка А на рис. 3.3) поглощенная доза будет формироваться только вторичными заряженными частицами, образовавшимися в среде при взаимодействии первичного γ-излучения, приходящего в точку А из вакуума (справа).
|
Рис. 3.3. Распределение поглощенной дозы (сплошная линия) и кермы (пунктир) по глубине поглощающей среды |