Экспозиционная доза

Для оценки поля фотонного излучения одним из первых было введено понятие экспозиционной дозы. Экспозиционная доза выражает энергию фотонного излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха, который вследствие близости эффективных атомных номеров воздуха и ткани является для фотонного излучения тканеэквивалентной средой. Экспозиционная доза Х - это количественная характеристика фотонного излучения, которая основана на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и представляет собой отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме: X=dQ/dm. Понятие экспозиционной дозы рекомендовано для фотонного излучения с энергией до 3 МэВ. Единица экспозиционной дозы в СИ - Кл/кг. Один Кл/кг равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой 1 кг, производят ионы, несущие электрический заряд 1 Кл каждого знака.

На практике до последнего времени использовалась внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р). Вильгельм Конрад Вильгельм - немецкий физик, открыл излучение, названное его именем, создал рентгеновские трубки - первый среди физиков лауреат Нобелевской премии. Рентген - это единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака (0,001293 г воздуха - это 1 см³ атмосферного сухого воздуха при н.у.). 1 Р =2,58 × 10^-4 Кл/кг. Экспозиционная доза не учитывает ионизацию, обусловленную тормозным излучением электронов и позитронов: этой величиной для воздуха обычно можно пренебречь из-за ее малости.

Из определения единиц экспозиционной дозы нетрудно найти их энергетические эквиваленты. Принимая заряд одного иона равным 1,602 × 10^-19 Кл, получим, что при наличии равновесия заряженных частиц при экспозиционной дозе 1 кл/кг создается 1: 1,602 × 10^-19=6,24 × 10¹⁸ пар ионов в 1 кг воздуха. Средней энергией ионообразования W₀ называется отношение начальной кинетической энергии Е₀ заряженной ионизирующей частицы к числу пар ионов N, образованных этой частицей до полной потери ее кинетической энергии в данном веществе:W₀=E₀/N.

Принимая среднюю энергию образования одной пары ионов равной W₀ =33,85 эВ, получим энергетические эквиваленты Кл/кг: 1 Кл/кг=6,24×10¹⁸ пар ионов на 1 кг воздуха ®2,11×10¹⁴ МэВ на 1 кг воздуха ®33,85 Дж на 1 кг воздуха ®8,07×10¹⁸ пар ионов на 1 м³ воздуха ®2,73×10¹⁴ МэВ на 1 м³ воздуха ®43,77 Дж на 1 м³ воздуха при н.у.

Принимая заряд одного иона равным 4,803×10^-10 СГСЕ и зная W₀, нетрудно определить энергетические эквиваленты рентгена: 1Р= 1,61×10¹² пар ионов на 1 г воздуха ®5,45×10⁷ МэВ на 1 г воздуха ®8,73×10^-6 Дж на 1 г воздуха ®87,3 эрг на 1 г воздуха ®2,08×10⁹ пар ионов на 1 см³ воздуха ®7,05×10⁴ МэВ на 1 см³ воздуха ®1,13×10^-8 Дж на 1 см³ воздуха®0,113 эрг на 1 см³ воздуха при н.у. В условиях лучевого равновесия заряженных частиц экспозиционной дозе в 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,85 Гр в воздухе или 36,.9 Гр в биологической ткани; внесистемной единице 1Р соответствует поглощенная доза 0,873 рад (8,73×10^-3 Гр) в воздухе или 0,95 рад (9,5×10^-3 Гр) в биологической ткани.

Использование экспозиционной дозы после 01.01.1990 не рекомендуется по следующим причинам:

^§ экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения, поэтому она не может использоваться в полях смешанного излучения разных видов: даже для фотонного излучения область практического использования этой величины ограничена энергией 3 МэВ;

§ переход от внесистемных единиц в СИ ведет к увеличению расхождения между экспозиционной дозой и поглощенной дозой.

3. Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений

При одинаковых поглощенных дозах разных ионизирующих излучений и прочих равных условиях биологический эффект разных видов ионизирующих излучений оказывается различным. Равные поглощенные дозы различных видов ионизирующих излучений вызывают различные биологические эффекты у облучаемых объектов. Это свойство ионизирующих излучений в сильной степени зависит от величины линейной передачи энергии (ЛПЭ), характеризующей пространственное распределение поглощенной энергии (рис. 17 и 18). Линейная передача энергии - отношение энергии, переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути, к длине этого пути; размерность кэВ/мкм.

Рис. 17. Распределение ионов вдоль трека g-излучения (1), электронов высокой (2) и средней (3) энергии и a-частиц (Ярмоненко, 1984)

Рис. 18. Кривые выживаемости клеток, подвергнутых облучению: 1 - рентгеновское, 2 - нейтронное, 3 -a -излучение (Ярмоненко, 1984)

Из данных рис.17 видно, что распределение актов ионизации в микрообъеме вдоль трека частиц неодинаково при равных поглощенных дозах разных ионизирующих излучений. С ростом ЛПЭ ионизирующего излучения поражаемость микрообъема увеличивается.

Кривые выживаемости клеток, облученных равными дозами разных ионизирующих излучений (рис. 18), также разнятся: по мере роста ЛПЭ увеличивается наклон кривых, сокращается плечо репарации, уменьшается экстраполяционное число, достигая единицы при a-облучении. Следовательно, с ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к восстановлению.

Для количественной оценки качества излучения МКРЗ введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Под относительной биологической эффективностью ионизирующего излучения понимают отношение поглощенной дозы образцового (стандартного) излучения, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе данного рассматриваемого излучения, вызывающего тот же биологический эффект. В качестве стандартного излучения обычно используют рентгеновское излучение с энергией 180-250 кэВ: