Дозовые характеристики излучения

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, K_а, 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 K_а. 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 Е_s, 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 r_возд = 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   E_im, 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 R_in – энергия поля излучения, входящая в рассматриваемый объем (без учета энергии покоя); R_out – 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 E_im 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 dE_im, 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

С увеличением глубины d к таким вторичным электро-нам будут добавляться новые, образованные в точках взаимодействия фотонов на глубинах 0  <   x  < d.  Это приводит к возрастанию поглощенной дозы. Одновременно с ростом d идет ослабление первичного фотонного излучения в поглощающей среде, что ведет к уменьшению поглощенной дозы. Следовательно, формирование поглощенной дозы обусловлено двумя противоположно действующими процессами: накоплением вторичного излучения и ослаблением первичного излучения. Обычно до некоторой глубины d ₀ преобладает первый процесс, после глубины d ₀ – второй. На глубине d ₀ поглощенная доза имеет максимальное значение (точка В на рис. 3.3). Значение d ₀ зависит от энергии фотонов и свойств поглощающей среды. Для тканеэквивалентного вещества оно лежит в пределах 0 − 2 см.