Величины, характеризующие поле излучений

Поле ионизирующих излучений – это пространственно-временное распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде.

Чтобы описать поле, необходимо указать, сколько и каких частиц (квантов), с какой энергией и в каком направлении приходит в любую точку среды в каждый момент времени.

В дозиметрической практике в качестве величин, характеризующих поле излучения, используют плотность потока частиц и плотность потока энергии.

Плотность потока частиц φ_N можно определить как число частиц, проходящих через единицу площади S за единицу времени t (индекс φ_N означает вид частиц - φ_α, φ_β, φ_γ и т.д.).

φ_{N =} .

при неизменном во времени и пространстве поле

φ_{N =} .

Плотность потока энергии тогда определяется как энергия излучения, проходящего через единицу площади за единицу времени.

φ = , φ = .

Если излучение моноэнергитично, то связь между этими величинами выражается соотношением

φ_х = φ_N E_N,

где Е_N – энергия частицы.

Соотношение единиц измерения в системе СИ и внесистемных единиц приведены в табл. 2.1.

В качестве иллюстрации значений плотности потока, с которыми приходится встречаться в практике обеспечения радиационной безопасности можно привести следующие значения:

- естественный гамма-фон φ_γ ~5 10⁶м^-2с^-1 или 5 фотонов/(см²·с).

допустимая плотность потока в лаборатории:

- гамма-излучения с энергией 2,4 10^-13 Дж составляет 5,6 10⁸ м^-2с^-1 или 1,5 МэВ – 560 фотон/( см²·с);

- бета-излучения с энергией 2,4 10^-13 Дж равна 3,6 10⁵ м^-2с^-1 или 1,5 МэВ – 36 част/( см²·с);

- тепловых нейтронов – 2,8 10⁸ м^-2с^-1 или иначе 280 нейтронов/( см²·с).

Следует отметить, что плотность потока гамма-излучения на практике не измеряется, а для характеристики поля используется величина – мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, смысл которой будет показан ниже. Реже, чем плотность потока используется величина поток частиц (энергии) и флюенс частиц (энергии).

Под потоком частиц (энергии) Ф_N или Ф понимают количество частиц (энергии) излучения, проходящего через все данное сечение за единицу времени.

Ф_{N =} , Ф = .

Под флюенсом частиц (энергии) понимают количество частиц (энергии) излучения, проходящего через единицу площади за все время облучения.

F_N = , F = .

Очевидно, что при неизменном во времени и в пространстве поле имеют место соотношения:

Ф_{N =} φ_N S; Ф = φ S;

F_N = Ф_N· t; F = φ t S.

Понятиями поток, плотность потока и флюенс частиц, как правило, оперируют в нейтронной физике. Однако они могут использоваться и для гамма-излучения. Так, например, геолого-разведочный радиометр СРП-88М отградуирован в единицах потока, а именно, – в с^-1. То есть прибор измеряет число фотонов, проходящих через детектор в единицу времени. Переход от этой величины к принятой в радиационной безопасности величине мощности дозы приводит к большим погрешностям, если неизвестна энергия гамма-излучения.

Величины, характеризующие взаимодействие излучения со средой

Степень воздействия излучения на вещество и человека, прежде всего, характеризуется энергией излучения, переданной веществу (ткани человеческого организма).

Физическая величина, определяемая как энергия излучения, переданная единице массы вещества, называется поглощенной дозой излучения (или просто дозой).

D = .

Под поглощенной энергией здесь понимают разность между суммарной энергией всех частиц, входящих в заданный объем, и суммарной энергией всех частиц, покидающих объем.

Единицей поглощенной дозы в системе СИ является грэй (Гр) – такая доза, при которой происходит поглощение 1 Дж энергии любого вида излучения в 1 кг облученного вещества:

1 Гр = 1 Дж/кг.

Внесистемная единица поглощенной дозы – рад, соответствующий энергии 0,01 Дж в 1 кг облученного вещества:

1 рад = 0,01 Дж/кг – 0,01 Гр.

Поглощенная доза хорошо описывает воздействие излучения на вещество. Однако, при одной и той же поглощенной дозе разных видов излучения на человека биологический эффект получается разным. Для оценки биологического эффекта воздействия излучения различного состава в задачах радиационной безопасности при облучении малыми дозами (не превышающими пяти предельно допустимых годовых доз) введено понятие эквивалентная доза.

Эквивалентная доза Н – произведение поглощенной дозы D излучения на взвешивающий коэффициент вида этого излучения W_R:

H = D · W_R.

Взвешивающий коэффициент вида излучения W_R определяет степень вредности того или иного вида излучения по отношению к гамма и рентгеновскому излучению, для которых он равен W_R = 1.

Значения W_R для различных видов излучения приведены в НРБУ-97:

• для альфа-излучения W_R = 20;

• для тепловых нейтронов W_R = 3;

• для промежуточных нейтронов W_R = 5;

• для быстрых нейтронов W_R = 20.

Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ – Зиверт (Зв).

Зиверт – единица эквивалентной дозы любого вида излучения, которая создает в биологической ткани такой эффект, как и поглощенная доза 1 Гр гамма-излучения.

Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр.

Бэр – единица эквивалентной дозы любого вида излучения, которая создает такой же в биологической ткани эффект, как и поглощенная доза в 1 рад гамма-излучения.

В практике обеспечения радиационной безопасности часто бывает так, что облучается не все тело, а один из органов. Например, при загрязнении бета-излучающими радионуклидами кожи, при накоплении йода в щитовой железе, при вдыхании радиоактивных газов и т.п. Чтобы оценивать при этом вред, наносимый всему организму, введено понятие эффективной эквивалентной дозы Е. Эффективная эквивалентная доза равна эквивалентной дозе Н полученной данным органом, умноженной на взвешивающий тканевый коэффициент W_ТК.

где H_i – эквивалентная доза, полученная данным органом;

W_ТКi – взвешивающий тканевый коэффициент данного органа.

Величина тканевого коэффициента W_ТК приведена для различных органов в НРБУ-97:

• для гонад - 0,20;

• для щитовидной железы – 0,05;

• для легких – 0,12;

• для желудочно-кишечного тракта – 0,12;

• для кожи – 0,01;

• для всего тела W_ТК = 1.

Таким образом, при равномерном облучении всего тела эффективная эквивалентная доза равна эквивалентной дозе. Единицы измерения у них одинаковые, то есть Зиверт и бэр. НРБУ-97 нормирует именно эффективные эквивалентные дозы.

Отсюда можно дать следующее определение: эффективная эквивалентная доза – это доза, которая оказывает то же воздействие на организм при равномерном облучении всего тела, как и эквивалентные дозы при неравномерном облучении всего тела.

Следует отметить, что при внешнем облучении человека в поле гамма-излучения облучение тела не будет равномерным, так как различные органы по-разному экранируются тканями тела. Поэтому вопрос о возможности измерения эффективной дозы выделен в отдельный параграф.

Исторически сложилось, что для гамма-излучения был введен еще один вид дозы – экспозиционная доза. Дело в том, что в одном и том же поле в разных веществах поглощается разное количество энергии, т.е. разные вещества получают разные поглощенные дозы. Чтобы получить объективную характеристику поля по результатам измерений выбрали образцовое вещество – воздух, а измерение поглощенной энергии осуществили по измеренной ионизации.

Экспозиционная доза – это доза гамма-излучения, определяемая по ионизации воздуха, и численно равная заряду ионов одного знака, приходящемуся не единицу массы воздуха:

X_O = .

Единица измерения в системе СИ – Кл/кг (кулон на килограмм).

Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). Вначале она определялась как доза от 1 г радия на расстоянии 1м за 1час. В настоящее время принято более точное определение: 1 рентген – такая доза гамма-излучения, которая образует заряд 2,58 10^-4 Кл в 1 кг воздуха.

Экспозиционная доза в 1 Р соответствует поглощенной дозе в воздухе – 0,88рад, а в ткани человеческого организма – 0,93 рад, то есть они в принципе близки между собой.

Это обстоятельство можно применить при переходе от одной измеренной дозы к другой в случае малых значений и не больших требованиях к точности измерения дозы. Имея в виду, что дозиметрические приборы в лучшем случае имеют погрешность ± 20 %, можно оценивая степень воздействия гамма-излучения на людей, считать для гамма-излучения эти единицы примерно одинаковыми.

В последние годы величина экспозиционной дозы является нерекомендуемой, хотя все страны сохраняют эталон рентгена, как основу для всех прочих эталонов.

Для объективной оценки поля излучения можно было бы использовать поглощенную дозу в воздухе или в ткани. Однако она зависит от условий облучения и, в частности, от размеров объема облучаемого вещества. Могут возникнуть погрешности, если количество вторичных электронов, возникающих в данном объеме и вылетающих из него и количество электронов влетающих в него, будут не равны. В этой ситуации говорят об отсутствии электронного равновесия. Поэтому для объективной оценки поля излучения ввели понятие – керма.

Керма – отношение суммы первоначальных кинетических энергий dE_N всех заряженных частиц, появившихся под действием ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе dm вещества в этом объеме.

.

В условиях электронного равновесия керма и поглощенная доза равны между собой. Единицы измерения кермы и поглощенной дозы одинаковые – в системе СИ – Грей, внесистемная – рад = 0,01 Гр.

При оценке радиационной обстановки исходят из измеренного значения мощности дозы излучения, которую можно определить как дозу, получаемую за единицу времени:

P = ; ; ;

При неизменном во времени поле соотношение дозы и мощности дозы можно записать как D = P t.

Последнее соотношение часто используют для расчета допустимого времени работы t_доп, исходя из заданной допустимой дозы D_доп и измеренной мощности дозы P_изм. Тогда t_доп = D_доп/P_изм.

Единицами измерения являются частные от деления единиц дозы (эквивалентной дозы, экспозиционной дозы) или их кратных и дольных единиц на необходимую единицу времени.