Передача энергии излучения веществу

Ионизирующим называют излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. к возникновению в облученном веществе ионов разных знаков.

Ионизация атомов и молекул является основным процессом передачи энергии излучения веществу. Этот сложный процесс можно разделить на две составляющие:

– распространение первичного излучения от источника в интересующую нас точку в веществе;

– передача энергии излучения веществу в этой точке.

Как правило, эти процессы имеют существенно различающиеся пространственные масштабы. Распространение первичного излучения осуществляется на значительные расстояния от источника. К примеру, нейтроны и g-кванты распространяются на метры даже в плотной среде, а в воздухе – на сотни метров. Передача энергии излучения осуществляется в пределах длин пробегов заряженных частиц в веществе. Максимальные длины пробегов заряженных частиц в биологической ткани, как правило, не превышают десятых долей миллиметра.

Распространяясь в среде, поток частиц или квантов создает поле ионизирующего излучения. Если взаимодействие излучения со средой отсутствует (излучение распространяется в вакууме) или оно мало (фотоны распространяются в воздухе), то траектории движения частиц и квантов в среде можно представить прямыми линиями.

Взаимодействие излучения с веществом приводит к изменению поля излучения – к рассеянию излучения и его поглощению, как это представлено на рис. 2.1. Эти изменения зависят от вероятности взаимодействия излучения с веществом (сечения взаимодействия).

а)

б)

в)

Рис. 2.1. Поле ионизирующего излучения:
а) – поле нейтронов и фотонов в вакууме; б) – рассеяние
фотонов и в) – нейтронов при прохождении через слой свинца одинаковой толщины

Например, фотоны достаточно свободно проходят через слой воды толщиной в несколько сантиметров, но в значительной степени будут рассеиваться и поглощаться свинцом. Нейтроны, наоборот, значительно рассеиваются при взаимодействии с водородом воды и мало взаимодействуют со свинцом. Поле ионизирующего излучения характеризуют рядом параметров:

– видом излучения;

– направлением распространения излучения;

– энергией излучения;

– флюенсом излучения.

Для целей дозиметрии излучения делятся на две группы. К первой группе относятся излучения, состоящие из заряженных частиц – электронов, протонов, a-частиц и др., которые непосредственно ионизируют атомы и молекулы при прохождении через вещество. Ко второй группе относятся нейтроны и фотоны, которые непосредственно атомы и молекулы вещества не ионизируют. Взаимодействуя с веществом, эти излучения порождают вторичные заряженные частицы, передавая им часть своей энергии. Взаимодействие этих вторичных частиц с веществом и приводит к его ионизации. Таким образом, различают два вида ионизирующего излучения:

– непосредственно ионизирующее – излучение, состоящее из заряженных частиц, способных ионизировать среду;

– косвенно ионизирующее – излучение, состоящее из незаряженных частиц, способных создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения.

Направленность излучения в ряде случаев сильно влияет на дозиметрические характеристики излучения. Обычно выделяют несколько основных типов направленности излучения:

– поле точечного изотропного источника – излучение, в поле которого частицы и фотоны распространяются из одной точки по всем возможным направлениям с одинаковой вероятностью;

– мононаправленное – излучение, в поле которого все частицы и фотоны распространяются в одном направлении, образуя плоскопараллельный пучок излучения;

– изотропное – излучение, в поле которого любые направления распространения частиц и фотонов являются равновероятными.

В вакууме поле излучения радионуклидного источника имеет вид поля точечного изотропного источника. Это утверждение справедливо, когда расстояние между источником и приемником излучения многократно превосходит линейные размеры источника. По мере увеличения расстояния от источника его поле излучения в вакууме переходит в мононаправленное. При распространении излучения в рассеивающей среде, например, в теле человека, целесообразно рассматривать его состоящим из двух компонент. Первая – нерассеянное первичное излучение, которое распространяется подобно тому, как излучение источника распространяется в вакууме, с той лишь разницей, что эта компонента истощается вследствие взаимодействия первичного излучения с веществом. Испытавшие взаимодействие с веществом частицы и фотоны образуют компоненту рассеянного первичного излучения. По мере удаления от источника вклад этой компоненты растет; при этом в результате многократных актов рассеяния это излучение становится изотропным.

Энергия ионизирующего излучения изменяется в широких пределах. Снизу она ограничивается способностью частиц или фотонов вызвать ионизацию атомов или молекул вещества, а сверху – физическими явлениями, которые приводят к возникновению излучения.

Важнейшей количественной характеристикой поля излучения является флюенс частиц и фотонов. Эта величина определяется следующим образом. Поместим в поле излучения абсолютно прозрачную пробную сферу с площадью сечения, равной dS. Подсчитаем число dN частиц или фотонов, которые пересекут поверхность и попадут вовнутрь сферы. Флюенс частиц или фотонов определяется как отношение числа проникших в сферу частиц dN к площади поперечного сечения сферы dS:

(2.1)

Единица величины флюенса – част./см².

Флюенс является интегральной характеристикой поля ионизирующего излучения. Его величина напрямую связана со временем, в течение которого определяется число частиц, проникающих в пробную сферу. Для описания изменения поля излучения во времени используют плотность потока частиц или фотонов (мощность флюенса), которая определяется как отношение величины приращения флюенса d Ф за некоторый промежуток времени dt к длительности этого промежутка: