Иванов В.И (1)

ГЛАВА 1

ПОЛЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Под ионизирующим излучением понимают любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Ионизирующее излучение представляет собой поток заряженных и (или) незаряженных частиц.* Говоря о взаимодействии излучения со средой, мы имеем в виду взаимодействие этих частиц с веществом среды, в которой распространяется излучение. Различают непосредствен­ но ионизирующее излучение и косвенно ионизирующее излучение.

Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заря­ женных частиц, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества. Примером этому могут быть а- и р٠излучения радионуклидов, протонное излучение ускорителей и т. п.

Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных (нейтральных) частиц, взаимодействие которых со средой при­ водит к возникновению заряженных частиц, способных непо­ средственно вызывать ионизацию.

Примерами косвенно ионизирующего излучения могут слу­ жить нейтронное излучение, представляющее собой поток ней­ тронов, и фотонное излучение, представляющее собой электро­ магнитное ионизирующее излучение.

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц одного вида

одинаковой энергии, называется однородным моноэнергетическим излучением.**

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц одного вида различных энергий, называется немоноэнергетическим. Так, р-из- лучение радиоактивных нуклидов всегда является немоноэнер­ гетическим, так как оно состоит из р-частиц различных энергий. Немоноэнергетическим является тормозное излучение; в то же время легко получить моноэнергетическое характеристическое из­ лучение.

Излучение, состоящее из частиц различного вида, называют

смешанным.

В зависимости от характера распространения в пространстве

различают направленное и ненаправленное излучения. Направ­ ленным будем называть излучение с выделенным направлением распространения. Это надо понимать таким образом, что в рас­

щее» перед словом «излучение».

12

источника в вакууме и коллимированный пучок излучения от ускорителя в вакууме являются направленными излучениями.

Если бы эти излучения распространялись не в вакууме, а в рас­ сеивающей среде, то, строго говоря, мы имели бы дело с нена­ правленными излучениями, поскольку рассеянное излучение при­ ходило бы в рассматриваемую точку по различным направлениям. Если рассматривать не один, а два точечных источника, не на­

иего нельзя считать направленным.

Уненаправленного излучения иногда можно выделить пре­

имущественное направление распространения. В частном случае симметричного относительно точки наблюдения расположения точечных источников одинаковой мощности можно выделить не­ сколько равноценных преимущественных направлений. Однако если такие источники достаточно плотно и равномерно распре­

делены по пространству, то все направления распространения излучения становятся равноценными. В этом случае говорят, что излучение изотропно. У изотропного излучения не удается выде­

лить преимущественного направления распространения. Излучение распространяется в пространстве и во времени.

В зависимости от характера распространения во времени раз­

личают непрерывное и импульсное излучения. Это два крайних случая поведения излучения во времени. Излучение будем счи­ тать непрерывным, если его характеристики (точнее, характери­ стики поля излучения, с которыми мы познакомимся позже) за рассматриваемый промежуток времени остаются постоянными. Однако за время наблюдения характеристики излучения могут изменяться. Под импульсным будем понимать такое излучение, продолжительность действия которого значительно меньше вре­ мени наблюдения. Неопределенность критерия «значительно мень­ ше» снимается в каждом конкретном случае.

Под полем излучения в дозиметрии понимают область про­

странства, каждой точке которой поставлены в соответствие фи­

зические величины (скалярные или векторные), являющиеся ха­

рактеристиками поля излучения. Характеристики поля опреде­ ляют пространственно-временное распределение излучения в рас­ сматриваемой среде.

§ 2. СКАЛЯРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Пусть параллельный пучок излучения направлен по перпен­ дикуляру к поверхности поглощающей и рассеивающей сред. Обозначим буквой Ф число частиц, переносимых излучением через единицу площади за некоторый промежуток времени. Введенная для данных условий опыта величина Ф называется флюенсом; в этом случае она выражает отнесенное к единице площади чис­

ло частиц направленного излучения, проходящих через перпен­

дикулярно расположенную по отношению к направлению рас­ пространения излучения поверхность.

13

Рассмотрим моноэнергетическое излучение с энергией ,*£ плотность потока частиц которого в некоторой точке простран-

ства равна ф. Умножив плотность потока частиц на энергию

это отнесенная к площади поперечного сечения элементарной

сферы энергия, переносимая излучением, проникающим в единицу времени в объем этой сферы.

Запишем соотношение между флюенсом частиц ф за некоторый интервал времени т, плотностью потока частиц ф и интенсивностью моноэнергетического излучения /:

иинтенсивность излучения в общем случае зависят от времени.

Рассмотренные характеристики ПОЛЯ излучения можно опре-

делить через поток.

Поток ионизирующих частиц £ есть отношение числа частиц

д проникающих через данную поверхность за интервал времени сП, к этому интервалу:

Заметим, что в этом определении не задается геометрическая

форма поверхности.

Соответственно поток энергии ионизирующего излучения

зирующих частиц, проникающих через данную поверхность за интервал времени сП.

Если £ и Е —потоки соответственно частиц и энергии через поверхность элементарной сферы с площадью поперечного сечения ٥5, то они связаны с плотностью потока частиц и интенсивностью излучения следующими соотношениями:

излучений; однако он получил широкое распространение как удобный синоним термина «плотность потока энергии».

15

Введенные в этом параграфе характеристики поля излуче­ ния—флюенс частиц, плотность потока частиц и интенсивность

излучения — положительные скалярные величины. В том виде, как эти величины даны здесь, они являются интегральными ха­ рактеристиками поля и не дают представления об энергетическом и угловом распределениях излучения. Более детально поле излу­ чения можно описать дифференциальными характеристиками.

§ 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим распространение излучения около точки А про­ странства, определяемой радиусом-вектором г, в пределах те­ лесного угла ٥й в направлении единичного вектора Й, который

щих единичную площадку, перпендикулярно расположенную к направлению единичного вектора Й. Функция ФДг, Е, ٠٥, ф) вы­ ражает дифференциальное энергетическое и угловое распреде­

ление флюенса частиц около точки А пространства. Проинте­ грировав эту функцию по углам, получим энергетическое рас­ пределение флюенса частиц

Ф(г, £)= ؛ ٤Ф,٠(г, £, д, 3.1) ؟٠)

Зная соотношение межд’у флюенсом и плотностью потока частиц,

можем записать энергетическое распределение плотности потока

представляют собой энергетический спектр излучения. Если эти

функции определены не только для фиксированной точки А при определенном значении радиуса-вектора г, но и для различных точек пространства, так что г выступает в качестве независи­

мой переменной, они выражают пространственно-энергетическое

в пространстве, и исключим радиус-вектор г из рассмотрения; опустим также индекс /, полагая, что имеем дело с определен­

ным видом излучения.

щадку, ориентированную в соответствии с направлением единич­

ного вектора б,

/5 = 148. (4.8)

Значение тока частиц Ц в данном случае выражает число пересечений поверхности единичной площадки, заданным образом ориентированной в пространстве, причем весовой вклад в ре­

ность потока частиц <р(Е, ٥, <р), то можно получить векторную

и плотности тока энергии излучения, также являющихся вектор­

Вернемся еще раз к примеру с двумя направленными пуч­ ками излучения (см. рис. 1). Из сопоставления формул (4.7) — (4.5) следует, что результирующий ток Лд по абсолютной вели­ чине меньше суммарного флюенса Фд в точке А.

Из формулы (4.7) следует также, что для двух противопо­

ложно направленных пучков излучения с одинаковым значе­

нием флюенса в точке А результирующий ток частиц в этой точке равен нулю.

Эти соотношения являются частным случаем более общего

правила. Для направленного излучения векторная токовая вели­ чина в направлении распространения излучения по абсолютному значению равна соответствующей скалярной потоковой величине.

Во всех остальных случаях абсолютное значение токовой вели­ чины меньше соответствующей потоковой величины. Для изо­

тропного поля излучения каждой частице, летящей в некотором направлении, можно противопоставить другую, летящую в про­ тивоположном направлении. Это приводит к тому, что для изо­

тропного поля излучения ток (плотность тока) частиц равен нулю.

§ 5. ТОКОВЫЕ И ПОТОКОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ В РАССЕИВАЮЩЕЙ И ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДАХ

Рассмотрим сначала гипотетический случай прохождения на­

правленного излучения через рассеивающую, но не поглощаю­ щую среду. Пусть в результате прохождения через плоский рас­

сеиватель все частицы излучения отклонились на угол ф по отношению к первоначальному направлению движения (рис. 3).

Для определенности будем иметь дело с энергетическим флюен­ сом ФЕ (потоковая величина) и током энергии Л٤. До рассеива­ теля эти две величины по абсолютному значению равны между

редней поверхности рассеивателя; поскольку поглощения излу­ чения нет, такое же количество энергии пройдет через заднюю поверхность. /5 есть проекция тока Л٤ на направление нормали к площадке, перпендикулярно расположенной к направлению начального распространения излучения. Следовательно, рассеи­ ватель не изменил количество энергии, переносимое через фикси­ рованную в пространстве площадку. Значение флюенса после рассеивателя Фе2 связано со значением флюенса до рассеива­ теля Ф٤1 соотношением

Таким образом, потоковая величина возросла в результате процесса рассеяния. Угол рассеивания нами выбран произволь­ но, поэтому подобные рассуждения можно провести по отноше­

нию к любым направлениям рассеянного излучения, и мы вправе

20