Виды физических доз

Действие ионизирующих излучений на вещество представляет собой сложный процесс. Поглощенная энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, её мощности, вида излучения, радиационной чувствительности облучаемого объекта и его компонентов (например, водного раствора и осадка). Сама по себе доза излучения зависит от вида излучения (нейтроны, укванты и т. д.), плотности его потока, энергии его частиц, состава вещества и его структуры. В процессе облучения доза со временем накапливается.

Доза излучения — энергия ионизирующего излучения (потоков частиц и квантов), поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу его массы. Является мерой радиационного воздействия.

Зависимость величины дозы от энергии частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества различна для разных видов излучения. Например, для рентгеновского и уизлучений доза зависит от атомного номера Z элементов, входящих в состав вещества; характер этой зависимости определяется энергией фотонов. Для этих видов излучений доза в тяжёлых веществах больше, чем в лёгких. Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов. Характер этого взаимодействия существенно зависит от энергии нейтронов. Если происходят упругие соударения нейтронов с ядрами, то средняя величина энергии, переданной ядру в одном акте взаимодействия, оказывается большей для лёгких ядер. В этом случае поглощённая доза в лёгком веществе будет выше, чем в тяжёлом.

Для характеристики дозового поля, возникающего в воздушной среде, окружающей источник излучения, используется понятие экспозиционной дозы.

Экспозиционная доза, X, — количественная характеристика гаммаи рентгеновского излучения, основанная на их ионизирующем действии в воздухе — отношение полного заряда dq всех ионов одного знака, образуемых в воздухе, к массе воздуха в этом объёме.

Замечание. В России использование экспозиционной дозы и её мощности после 1 января 1990 г. не рекомендуется.

Экспозиционная доза определяет энергетические возможности ионизирующего излучения. Это понятие введено для оценки поля фотонного излучения с энергией в диапазоне 1 кэВ-гЗ МэВ. Так как эффективные атомные номера воздуха и биологической ткани близки, воздух принято считать тканеэквивалентной средой для фотонного излучения.

Замечание. В условиях лучевого равновесия, т. е. такого состояния ионизирующего излучения и среды, когда поглощённая энергия излучения в некотором объёме среды равна сумме кинетических энергий ионизирующих частиц в том же объёме, внесистемной единице l Р соответствует поглощенная доза 0,873 рад ^в воздухе или 0,95 рад в биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в радах можно считать совпадающими. В СИ единица мощности экспозиционной дозы — ампер на килограмм (Л/кг). Соотношение между' системными единицами экспозиционной и поглощенной доз: 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,85 Гр в воздухе или 36,9 Гр в биологической ткани. Тогда как значение экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в радах отличаются во внесистемных единицах всего лишь в 1,14 раза. Соотношение же между системными и внесистемными единицами экспозиционной дозы и мощности дозы не равны целому числу, что затрудняет их совместное использование. Все это явилось причиной многочисленных ошибок. Поэтому экспозиционная доза подлежит изъятию из употребления.

Экспозиционную дозу можно определить как часть энергии у-излучения E_v преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы Ат воздуха. Под энергией Е_г понимают ту часть энергии у-излучения, которая затрачена на образование комптоновских и фотоэлектронов, электрон-позитронных пар (т.е. сопряжённая корпускулярная эмиссия) в некотором объёме воздуха массой Ат.

За единицу экспозиционной дозы X принята единица кулон на килограмм [Кл/кг] т. е. доза, создаваемая у-излучением, при котором сопряженная корпускулярная эмиссия производит в 1 кг сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях (при температуре о° и давлении 760 мм рт. ст.) 1 Кулон электричества положительно и отрицательно заряженных частиц (6,24-ю¹⁸ пар ионов). Физический эквивалент 1 Кл/кг равен 33 Дж/кг =87,7 эрг/г (для воздуха). Для других веществ значения совершенно друтие, например, для воды (биологической ткани) 95 эрг/г). В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе i Р соответствует поглощенная доза в воздухе, равная 0,877 рад.

В системе СИ: 1 Кл/кг = 3880 Р.

По величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощённую дозу рентгеновского и уизлучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.

Мерой воздействия ионизирующего излучения на вещество служит поглощенная доза, определенная как отношение поглощенной энергии излучения в единице массы. Основной единицей поглощенной энергии в системе СИ является грей (Гр) — джоуль на килограмм массы (Дж/кг). Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр=ЮО рад. Поглощенная доза в 1 Гр является довольно значимой радиационной величиной и может вызвать в облученном организме ряд последствий. Но в собственно энергетическом смысле эта величина очень мала — повышение температуры тела человека в результате воздействия этой дозы менее одной тысячной градуса.

Доза поглощенная (D) — величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

где аЕ — средняя энергия, переданная ионизирующим излучением облучаемому веществу (теперь — не обязательно воздуху), находящемуся в элементарном объёме, a dm — масса вещества в этом элементарном объёме.

Энергия может быть усреднена по любому определенному объёму, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объёма. Если учитывать, что 1 Р=88 эрг/г воздуха, а 1 оад=юо эог/г=о.01 Го. то пои условии электоонного оавновесия.

Для веществ, отличных от воздуха, в это соотношение вводят коэффициент пропорциональности f величина которого является функцией энергии у-излучения и природы вещества — поглотителя.

Дозу излучения D, поглощенную веществом за время t действия потока корпускулярного ионизирующего излучения, называют мощностью поглощённой доз, D*:

Мощность поглощённой дозы D* измеряют в ваттах на килограмм (Вт/кг). В случае использования внесистемных единиц мощность поглощенной дозы измеряется в рад/с или в рад/ч.

Взаимодействие излучения с веществом состоит из двух стадий: преобразование энергии и вклад энергии. Этим стадиями соответствуют две группы дозиметрических величин.

Термин преобразование энергии относят к передаче энергии от ионизирующих частиц к вторичным ионизирующим частицам. Термин керма относят к кинетической энергии заряженных частиц, высвобожденных незаряженными частицами. Энергия, затрачиваемая на разрыв связи, обычно мала и определением не учитывается. В дополнение к керме вводится величина сема, которая определяет потерю энергии заряженными частицами в столкновениях с атомными электронами. В потерю энергии входит и потеря на преодоление связи электронов. Сема отличается от кермы тем, что учитывает потерю энергии входящих в вещество заряженных частиц с атомными электронами этого вещества, в то время как керма учитывает переданную энергию, уносимую выходящими заряженными частицами из рассматриваемой массы.

Количество кинетической энергии, переданное заряженным частицам, которые образовались в единице массы облучаемой среды под действием ионизирующего излучения, называется кермой.

Керма: К = dEk/dm — мера поглощенной дозы косвенно ионизирующих излучений (КЕША — аббревиатура фразы KINETIC ENERGY RELEASED PER UNIT MASS — выделение кинетической энергии на единицу массы). Керма (К) представляет собой сумму первоначальных кинетических энергий dEk всех заряженных частиц, появившихся в элементарном объёме вещества в результате воздействия на него косвенно ионизирующих излучений, отнесенную к массе вещества в этом объёме dm. Единицей кермы в системе СИ является дж/кг или Грей.

Замечание. Здесь под косвенным ионизирующим излучением подразумевается излучение не несущее заряд (фотоны или нейтроны).

Потеря энергии излучения dEk включает не только кинетическую энергию частиц в результате столкновений, но также энергию, которую заряженные частицы теряют в виде тормозного излучения, a dm должно быть настолько мало, чтобы оно заметно не влияло на радиационное поле.

Керма — характеристика излучения по степени его воздействия на среду, однозначно связанная с параметрами поля излучения, например, с плотностью потока энергии. Она применима как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Керму измеряют в тех же единицах, что и поглощенную дозу [Гр и рад].

Керма — суммарная начальная кинетическая энергия заряженных частиц, образованных в единице массы облучаемой среды под действием косвенно ионизирующего излучения. Применительно к у-излучению в условиях электронного равновесия (равновесие в среде между входящими в dm заряженными частицами и выходящими из него) керма совпадает с дозой излучения, если можно пренебречь потерей энергии заряженных частиц (электронов и позитронов) на тормозное излучение. При этих у^словиях керма является энергетическим эквивалентом экспозиционной дозы. Внесистемная единица кермы — рад.

Керма в общем случае отличается от поглощённой дозы. При низких энергиях первичного излучения керма примерно равна поглощённой дозе, тогда как при высоких энергиях К намного выше поглощённой дозы, поскольку' часть энергии уносится из поглощающего объёма в форме рентгеновского тормозного излучения или быстрых электронов.

Для у-излучения керма выражает отношение суммарной кинетической энергии электронов и позитронов, образовавшихся под действием у-квантов в некотором объёме вещества, к массе вещества в этом объёме.

где Ф — поток энергии у-квантов [эрг/см²]; p'_e= ц/р — массовый коэффициент передачи энергии [см²/г].

Следовательно, под кермой можно понимать величину, которая энергетически характеризует первую ступень поглощения у-квантов в веществе.

Селю — отношение dEc к dm, где dEc — потери энергии заряженных частиц, за исключением вторичных электронов, в столкновении с электронами в веществе массой dm:

Единица: Дж кг*¹ [Гр].

Наименование сема есть аббревиат>^гра converted energy per unit

mass.

Величина сема используется как приближенная величина поглощенной дозы заряженных частиц. Это справедливо в условиях равновесия вторичных электронов и пренебрежения радиационными потерями и упругими ядерными взаимодействиями.

Постоянная мощности воздушной кермы радионуклида (кермапостоянная) Г— отношение мощности воздушной кермы К, создаваемой фотонами с энергией больше заданного порогового значения S от точечного изотропно-излучающего источника данного радионуклида, находящегося в вакууме на расстоянии г от источника, умноженной на квадрат этого расстояния, к активности, а источника. Грэй-метр в квадрате в секунду-беккерель [Грм²/сБк] равен постоянной мощности воздушной кермы радионуклида, при которой мощность воздушной кермы, создаваемой фотонным излучением с энергией больше 6, точечного изотропно-излучающего источника активностью 1 Бк в вакууме на расстоянии 1 м равна 1 Г₍/с.

Ксрма-эквивалент источника К_е — мощность воздушной кермы фотонного излучения с энергией фотонов больше заданного порогового значения Sточечного изотропно-излучающего источника, находящегося в вакууме, на расстоянии I от источника, умноженная на квадрат этого расстояния в единицу времени. Грэйметр в квадрате в секунду [Грм²/с] равен керма-эквиваленту источника, при котором точечный изотропно-излучающий источник фотонов с энергией фотонов, большей S, создаёт в вакууме на расстоянии 1 м мощность воздушной кермы 1 Гр/с.