Характеристики поля излучения

Применяемые в РИД величины часто определяются через понятия (характеристики), используемые в радиационной физике и, особенно, в радиационной дозиметрии для количественного описания поля излучения.

В радиационной дозиметрии существуют два основных класса характеристик поля фотонов. Один описывает поле через количество и энергию элементарных частиц в определенной точке пространства, в том числе и непосредственно в пучке. Второй класс описывает количество энергии излучения, передаваемой или поглощаемой в единице массы или объема в конкретных средах. Чаще всего такими средами являются воздух и биологическая ткань.

Краткие определения некоторых понятий, наиболее важных применительно к РИД, рассматриваются ниже.

Флюенс и плотность потока

Под понятием флюенс частиц Ф понимается отношение количества частиц ctN, вошедших в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения сферы dA:

Понятие флюенса иллюстрируется на рис. 1.8, где показаны пучки излучения, входящие с разных направлений в объем элементарной сферы. При определении суммарного значения флюенса работает принцип аддитивности, т. е вклады от пучков, приходящих с разных направлений складываются.

Рис. 1.8. К определению понятия флюенса.

Плотность потока фотонов ф — флюенс фотонов за единицу времени:

Флюенс энергии |/ — отношение количества энергии dE, входящей в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения сферы:

Плотность потока энергии I — флюенс энергии за единицу времени:

Керма и поглощенная доза

Понятие «Керма» было введено для косвенно ионизирующего излучения, чтобы определять количество кинетической энергии, передаваемой при взаимодействии этим излучением заряженным частицам в среде. Отсюда следует и определение, и название величины (сокращение от англ. — Kinetic Energy Released per unit Mass).

Керма К — отношение суммы первоначальных кинетических энергий заряженных частиц dE_tr, образованных при взаимодействии косвенно ионизирующего излучения с веществом в элементарном объеме, к массе этого объема dm:

Единицей измерения кермы в СИ является Дж/кг, она имеет специальное название — грей (Гр). Часто используемой внесистемной единицей является рад (1 рад = 0,01 Гр). Рассмотрим подробнее понятие кермы применительно к у-излучению.

Между кермой и флюенсом энергии для моноэнергетического у-излучения существует простое соотношение:

где (p_tr/p) — массовый коэффициент передачи энергии для данной среды и данной энергии фотонов (см. далее).

Большая часть первоначальной энергии электронов, получаемых ими в результате взаимодействия фотонов в средах с низким атомным номером (воздух, вода, биологическая ткань), тратится на неупругие столкновения (ионизация и возбуждение) с атомными электронами. Некоторая часть этой энергии в результате радиационных взаимозо действий с ядрами атомов трансформируется в тормозное излучение. Таким образом, керму можно разделить на две части:

где К_ион, К_рад — ионизационная и радиационная части кермы.

Эти части связаны с флюенсом энергии фотонов следующими соотношениями:

и.

где (реп/р) — массовый коэффициент истинного поглощения энергии фотонов, усредненный по спектру флюенса энергии (см. далее); g — средняя доля энергии электрона, теряемая на тормозное излучение и усредненная по спектру флюенса энергии фотонов. Для материалов с низким Z и энергией фотонов Е < 1 МэВ величина g"0 и соответственно К ~ К_ион.

Поглощенная доза представляет собой отношение средней энергии dW поглощенной в элементарном объеме среды, к массе dm этого объема:

Единицей измерения поглощенной дозы в СИ так же, как и кермы, является грэй (Гр), который соответствует поглощению энергии 1 джоуль в 1 килограмме облученного вещества. В ядерной медицине в качестве среды выступают обычно биологическая ткань или близкая к ней по физическим свойствам вода. В дальнейшем, если не будет уточнений, под термином «поглощенная доза» (или просто «доза») будет пониматься поглощенная доза в воде.

Заметим, что электроны, образующиеся при взаимодействии фотонов с веществом и фактически определяющие величину поглощенной дозы, имеют конечные пробеги. Поэтому энергия, передаваемая у-излучением в среду, поглощается не локально, а в некоторой окрестности точки взаимодействия. Кроме того, часть энергии может уноситься тормозным излучением. Все это приводит к достаточно сложной связи между кермой и поглощенной дозой. В условиях существования электронного равновесия, когда энергия, вносимая заряженными частицами в элементарный объем, равняется энергии, выносимой заряженными частицами из объема, справедливо следующее соотношение:

В некоторых случаях на практике используется (хотя это не рекомендуется ГОСТами) также понятие «экспозиционная доза» или «экспозиция». Экспозиционная доза определяется как отношение полного количества ионов одного знака dQ, образующихся в элементарном объеме воздуха после завершения всех процессов ионизации, к массе dm этого объема:

Единицей измерения экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм, Кл/кг. Внесистемной часто используемой единицей является рентген (1 Р = 2.58 • 1СИ Кл/кг).

Экспозиционная доза представляет ионизационный эквивалент ионизационной части кермы в воздухе. Их связь выражается следующей формулой:

где w — средняя энергия, требующаяся для образования пары ионов в воздухе.