5.5.2. Экспозиционная доза

Исторически первыми методами измерения активности и были методы основанные на ионизации воздуха или других сред. Эти методы и опирающиеся на них способы оценки воздействия применяются и в современных приборах. Для количественной оценки ионизирующего излучения используется понятие экспозиционной дозы, характеризующую степень ионизации воз­духа под влиянием излучения.

Взаимодействуя с веществом, частица теряет свою энергию, причем плотность ионизации резко возрастает к концу пробега. Для тяжелых заряженных частиц существует одно­значная связь между энергией частицы и ее пробегом. Основной энергетической единицей является электронвольт (эВ), равный кинетической энергии электрона, прошедшего разность потенциалов 1 В. Высокими считаются энергии порядка 1 МэВ (10⁶ эВ). Характерные значения энергии a-частиц находятся в диапазоне значений до 10 МэВ. Величина пробега таких частиц в воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани 100 мкм. Скорость электронов, образующихся в результате b-распада существенно выше, чем более тяжелых заряженных частиц с одинаковой кинетической энергией, т.к. последняя пропорциональна массе (отношение масс покоя про­тона и электрона равно 1836). Поэтому плотность ионизации, создаваемой b-частицами, намного меньше, чем для других за­ряженных частиц, а пробег — больше. Пробег электронов, имеющих энергию 5,0 МэВ достигает 20 м в воздухе и 2,5 см в воде.

Гамма излучение имеют более высокую проникающую способность. Возможны следующие виды взаимодействия g-квантов с веществом: поглощение связанными в атоме элек­тронами (фотоэффект), рассеяние электронами (эффект Комптона), а также поглощение в кулоновском поле ядра с образованием пары электрон-позитрон. Воздух - смесь газов (преимущественно азота N₂ и кисло­рода 0₂) с малыми атомными номерами, и поэтому в широком диапазоне значений Eg, (20 кэВ - 23 МэВ) доминирующим эф­фектом взаимодействия является эффект Комптона. Поскольку электронам азота и кислорода при рассеянии на них фотонов пере­дается энергия, намного превосходящая их энергии связи, эти электроны считаются свободными. Для g-излучения, испускаемого радионуклидом Со-60 (Е_g = 1,33 МэВ), макси­мальная энергия, передаваемая комптоновским электронам, равна 0,9 МэВ. Именно эти электроны ионизируют молекулы азота и кислорода и имеют мак­симальный пробег, равный 3,4 м. Поэтому g-излучение называется косвенно ионизирующим.

Экспозиционная доза X является ионизационным эквивалентом энергии, передан­ной g-квантами массе m сухого воздуха, находящегося при нор­мальных физических условиях (273 К; 0,1 МПа ). Средняя энергия электрона ε, необходимая для создания одной пары ионов в воздухе, равна 33,85 эВ. Число пар ионов (положительных и отрицательных зарядов), созданных на длине пробега, определяется отношени­ем начальной энергии комптоновского электрона к значению ε и для данного случая составляет 2,6·10⁴. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является Кл/кг. Более употребительной единицей является 1 рентген (сокращенно 1 Р). При ее определении используется физическая система единиц. В соот­ветствии с этой системой областью передачи энергии g-излучения является объем воздуха, равный 1 cм³, а заряд электрона измеряется в электростатических единицах (е = 4,8·10^-10 эл.ст.ед. заряда). Единице экспозиционной дозы 1 Р соответствует обра­зование за пределами рассматриваемого объема одной электро­статической единицы заряда в результате полного торможения комптоновских электронов, образующихся в этом объеме и вы­летающих из него.

Используя соотношение между единицами заряда в этих системах (1 Кл = 3·10⁹ эл.ст.ед.), а также плотность воздуха ρ_в при нормальных физических условиях (ρ_в =1,293·10^-3 г/см³), получим, что 1 Кл/кг равен 3880 Р. Полученное значение намного превосходит смертельную до­зу, соответствующую однократному наружному облучению всего тела (600 Р), поэтому применение специальной единицы экспо­зиционной дозы является более удобным. Кроме того, практи­чески все имеющиеся дозиметры калиброваны именно в этих единицах.

Применение ионизационных камер для измерения экспозиционной дозы позволяет решать практические задачи дозиметрии рентгеновского и g-излучения, так как процесс ионизация воздуха хорошо моделирует ионизацию воды и мышечной ткани (ионизация пропорциональна поглощенной энергии и слабо зависит от мощности излучения).