Дозовые характеристики поля излучения

Дозовые характеристики поля излучения учитывают взаимодействие ионизирующего излучения со средой. При прохождении через вещество ионизирующее излучение передает ему часть своей энергии. Передача энергии происходит при пересечении данного объема вещества заряженными частицами или при освобождении заряженных частиц в этом объеме под действием косвенно ионизирующего излучения (Прилож.5).

Переданная энергия реализуется в процессах ионизации и возбуждения атомов, упругих столкновений; некоторая часть этой энергии может пойти на тормозное излучение, на увеличение массы покоя вещества и ядерные превращения. Энергия ионизирующего излучения, переданная веществу в пределах данного объема, в конечном итоге преобразуется в энергию теплового движения молекул вещества и расходуется на необратимые химические реакции. Эта энергия и составляет поглощенную энергию излучения.

Поглощенная доза излучения D – энергия ионизирующего излучения dE, поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу его массы dm:

Дж·кг^-1=1Гр(грэй); (5)

1Гр = 100 рад = 6,241×10¹⁵ эВ·г^-1

Мощность поглощенной дозы излучения Р -приращение (скорость
накопления) поглощенной дозы излучения (в единицу времени):


(Гр·с^-1). (6)

Линейная передача энергии заряженных частиц в среде, (ЛПЭ или ) определяется выражением:

L _Δ =(dE / dl) _Δ, (7)

где dЕ – средние потери энергии частицы на малом отрезке пути dl, обусловленные такими соударениями с атомами, при которых переданная энергия меньше Δ.

При прохождении заряженной частицы через вещество значительная часть ее энергии расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, некоторая часть – на тормозное излучение. В процессе ионизации атомов могут появляться и вторичные электроны, способные к дальнейшей ионизации (d-электроны).

Величина L _Δ не включает в себя энергию, затраченную на тормозное излучение (радиационные потери), и кинетическую энергию d-электронов, если последняя больше заданного значения А. Если пороговая энергия не ограничена, то ЛПЭ включает энергию всех d-электронов и называется полной ЛПЭ, которую обозначают L. Она совпадает с линейной ионизационной тормозной способностью среды (dЕ/dх)_ион.

Единицей ЛПЭ в системе СИ является джоуль на метр, Дж/м. В качестве специальной единицы используют килоэлектронвольт на микрометр воды, 1 кэВ/мкм = 0,16 нДж/м.

ЛПЭ характеризует качество излучения. При одной и той же поглощенной дозе D микрораспределение переданной энергии вдоль треков заряженных частиц в среде и, следовательно, величина ЛПЭ существенно зависит от вида и энергии излучения. Например, α-частицы (L 175 кэВ/ мкм воды) создают в мягкой биологической ткани в десятки и сотни раз большую плотность ионизации, чем электроны (L<3,5 кэВ/мкм). Этим объясняется различие в биологическом действии a- и b-излучений.

Для косвенно ионизирующего (незаряженного) излучения наряду с поглощенной дозой применяется другая величина – керма, К. Керма есть отношение суммарной кинетической энергии dE_K всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе дт вещества в этом объеме;

. (8)

В общем случае керма и поглощенная доза не равны, так как керма характеризует выделившуюся в некотором объеме вещества энергию вторичных заряженных частиц, а поглощенная доза – фактически поглощенную энергию излучения в этом объеме. Различия между кермой и поглощенной дозой особенно существенны вблизи поверхности облучаемого объекта. При условии электронного равновесия (см. ниже) керма и поглощенная доза совпадают. Единицы кермы и мощности кермы те же, что и для поглощенной дозы (Гр) и ее мощности (Гр/с).

Керму рассчитывают по соотношению:

, (9)

где Ф и Е – флюенс и энергия фотонного или нейтронного моноэнергетического излучения, а – массовый коэффициент преобразования энергии косвенного излучения в энергию заряженных частиц. Для фотонного излучения вместо пользуются массовым коэффициентом передачи энергии .

Электронным равновесием называется такое состояние взаимодействия фотонного излучения со средой, при котором поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна суммарной кинетической энергии вторичных электронов, образованных в этом объеме, и, следовательно, поглощенная доза излучения равна керме, D = К. При электронном равновесии суммарные кинетические энергии электронов, входящих в объем и выходящих из него, равны (Для нейтронного излучения говорят о «равновесии вторичных заряженных частиц»). Электронное равновесие осуществляется в некоторой области вещества, если она окружена слоем того же вещества толщиной, равной максимальному пробегу вторичных электронов. В биологической ткани электронное равновесие достигается на глубине нескольких миллиметров.

Экспозиционная доза фотонного излучения D_экс (или Х) является мерой ионизационного действия рентгеновского и g -излучения в воздухе. Она равна отношению суммарного заряда dQ. ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении вторичных электронов, образованных фотонами в элементарном объеме, к массе dm воздуха в этом объеме:

D_экс =dQ/dm (10)

Понятие экспозиционной дозы поясняет рисунок 2, на котором условно показано освобождение вторичных электронов направленным g -излучением в воздухе. Заряд dQ включает заряд всех ионов одного знака (обозначены точками), созданных только теми электронами и позитронами, которые образовались в массе воздуха dm. Термин «экспозиционная доза» используется для фотонного излучения с энергией 1 кэВ – 3 МэВ.

Рисунок 2. Определение экспозиционной дозы.

2, 5, 6, 8 – фотоэффект; 3, 4, 7, 9 – Комптон эффект;

волнистые линии – g – фотоны, прямые линии – вторичные электроны;

точки – ионы, учитываемые величиной заряда dQ.

Единица экспозиционной дозы в СИ – кулон на килограмм, Кл/кг. Это такая экспозиционная доза, при которой сопряженная «корпускулярная эмиссия в сухом атмосферном воздухе массой 1 кг производит ионы, несущие заряд каждого знака, равный 1 Кл. На практике распространена внесистемная специальная единица экспозиционной дозы – рентген, Р. 1 Р = 2,58·10^-4 Кл/кг.

При экспозиционной дозе 1 Р в 1 кг воздуха образуется n = 1,61·10 пар ионов. Наряду с рентгеном применяются производные единицы: микрорентген (1 мкР = 10 Р), миллирентген (1 мР = 10 Р), килорентген (I кР = 10 Р) и др.

На ионизацию атомов воздуха затрачивается вся кинетическая энергия вторичных электронов, освобожденных фотонами в единице массы воздуха, за вычетом энергии, теряемой на тормозное излучение (ею можно пренебречь при энергии фотонов меньше 3 МэВ). Следовательно, энергетическим эквивалентом экспозиционной дозы является керма фотонного излучения в воздухе К («воздушная керма»), а при электронном равновесии – поглощенная доза в воздухе (п - число пар ионов, созданных в 1 кг воздуха, w - средняя энергия ион образования в воздухе; w = 33,85 эВ = 5,42·10^-18 Дж). Таким образом, экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза в воздухе D ^в =1,61·10¹⁵·5,42·10^-18 = 8,73·10^-3 Дж/кг= 8,73·10^{_- 3} Гр.

Итак, в условиях электронного равновесия в воздухе энергетический эквивалент рентгена: = 8,73·10^-3 Гр/Р= 0,873 рад/Р.

Для фотонного излучения можно перейти от экспозиционной дозы D_экс (P)в условиях электронного равновесия в воздухе к поглощенной дозе (Dрад) в веществе с эффективным атомным номером помещенным в ту же область поля. Этот переход осуществляется по формуле:

D=g×D_экс=h¢^*(m^z_am/m^В_am)^*D_экс (11),

где g - коэффициент, зависящий от химического состава вещества и энергии фотонного излучения; m^z_am m^В_am – массовые коэффициенты истинного поглощения энергии излучения в воздухе и данном веществе соответственно; л-энергетический эквивалент рентгена.

Если среда – воздух, то m^z_am= m^В_am, и при любой энергии фотонов
g = h¢ = 0,873 рад/Р.

Для мягкой биологической ткани при энергии фотонов 0,08 - 3 МэВ коэффициент g изменяется в пределах 0,93 – 0,97 рад/Р. Так, например, при энергии g-излучения 1 МэВ g = 0,96 и, следовательно, экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза в ткани ~ 0,96 рад (0,0096 Гр).

Мощность экспозиционной дозы (р_экс) – приращение экспозиционной дозы в единицу времени; она определяется аналогично мощности поглощенной дозы. Для мощности экспозиционной дозы также справедливы те же соотношения.

Единица мощности экспозиционной дозы в СИ – 1 Кл/ (кг×с) или 1 А/кг. Однако эту единицу использовать не рекомендуется. На практике применяются специальные внесистемные единицы мощности экспозиционной дозы: 1 Р/с = 2,58×10^-4 А/кг, 1 Р/ч = 7,17×10^-8 А/кг, 1 мР/ч, 1 мкР/с, 1 мкР/ч. Многие дозиметрические приборы градуированы в этих единицах.

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ). Биологическое действие ионизирующих излучений определяется не только количеством поглощенной энергии в ткани, но и качеством излучения – величиной ЛГТЭ, а также другими факторами. Чем больше ЛПЭ, тем сильнее ожидаемый радиобиологический эффект. Для сопоставления биологического действия различных видов излучения вводят коэффициент ОБЭ. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) – это отношение поглощенной дозы образцового излучения D_обр, вызывающей определенный биологический эффект, к поглощенной дозе данного излучения D_х, вызывающей тот же самый биологический эффект.

За образцовое излучение принимают рентгеновское излучение с граничной энергией фотонов 200 кэВ, создающее вторичные электроны с полной ЛПЭ = 3,5 кэВ/мкм воды. Для образцового излучения ОБЭ = 1. Коэффициент ОБЭ является непрерывной функцией ЛПЭ и зависит от типа наблюдаемого биологического эффекта. Для конкретной биологической реакции живого организма, отдельных органов или клеток ткани ОБЭ показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения сильнее, чем от образцового излучения. Например, если один и тот же эффект (удвоение числа мутаций генов в хромосомах) вызывает образцовое излучение дозой 1 Гр и быстрые нейтроны дозой 0,1 Гр, то для последних ОБЭ = 1/0,1 = 10 и, следовательно, быстрые нейтроны по данной биологической реакции в 10 раз эффективнее рентгеновского излучения. Для фотонного излучения и электронов ОБЭ – 1, для тяжелых ионизирующих частиц ОБЭ принимает значения от 1 до 20. При малых дозах (<0,25 Гр) ОБЭ не зависит от мощности дозы. Понятие ОБЭ применяется только в радиобиологии.

Коэффициент качества (к или Q) – регламентированное значение ОБЭ для данного вида и энергии излучения, установленное в целях контроля радиационной безопасности при хроническом облучении человека. Безразмерный коэффициент качества к определяет зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека в малых дозах от полной ЛПЭ излучения.

В таблице 1 приведены значения коэффициента качества в зависимости от величины ЛПЭ. В таблице 2 указаны коэффициенты качества для различных видов излучений. Если известен энергетический спектр излучения, то следует использовать более точные значения к.

Таблица 1

Зависимость коэффициента качества к от полной ЛПЭ,к(L_¥)

Вид излучения	Средняя линейная плотность ионизации в воде, пар ионов/мкм	L¥ в воде, кэВ/мкм	Коэффициент качества, к
Фотонное излучение, электроны	£100	£3,5
Тяжелые ионизирующие частицы	£100 ³5000	£3,5 7,0 ³175

Для оценки возможного ущерба здоровью человека при хроническом облучении введено понятие эквивалентной дозы Н, которая равна произведению поглощенной дозы D на средний коэффициент качества ионизующего излучения k в данном элементе объема биологической ткани.

D_экв= D×k(12)

Для смешанного излучения эквивалентная доза:

D_экв= S_iD_i×k_i (13)

где D_i и k_i – соответственно поглощенная доза в ткани и коэффициент качества отдельных видов излучения.

Таблица 2

Дата добавления: 2014-11-06