Иванов В.И (1)

Коэффициент р можно определить экспериментально, а по нему уже найти коэффициент Д.

Чтобы окончательно вычислить мощность дозы по этому ме­ тоду, необходимо знать энергетический спектр и угловое рас­ пределение падающего излучения.

В случае неизвестного спектрального состава исходного из­ лучения можно использовать косвенные методы определения дей­ ствующих спектров на разных глубинах поглотителя. Так, метод, предложенный В. Ф. Барановым, основан на изучении функции ослабления тока частиц /٧ (х) ٠ Здесь также используется тот факт, что вид функции, описывающей ослабление тока моноэнергетических электронов в барьерной геометрии, фактически не зависит от начальной энергии электронов, а определяется

лишь углом падения на поглотитель. Это позволяет по измерен­ ной кривой ослабления тока рассчитать форму глубинного спект­ ра, не имея детальных сведений об энергетическом составе па­ дающего на поглотитель излучения. Мощность дозы опреде­

ляется по формуле (109.6). Усредненное значение {йЕ/йх)А вы­ числяют по глубинному спектру. Средний путь электронов гА в

тонком слое на глубине х берется из анализа экспериментальных

данных. Оценки показывают (В. Ф. Баранов), что г«2 при толщине поглотителя О،

Полуэмпирические методы не всегда дают удовлетворитель­ ную точность определения дозы. Иногда они пригодны лишь для оценочных расчетов. Однако практическое удобство этих методов и трудности теоретического анализа поля электронного излучения приводят к интенсивным работам по усовершенство­ ванию полуэмпирических методов.

§ 110. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ^ДОЗИМЕТРИИ

Принципиально все методы дозиметрии фотонного излучения

могут быть использованы для дозиметрии р-излучения. Применяя тот или иной метод на практике, следует учитывать быструю поглощаемость р٠частиц, их малый пробег и энергетический спектр. Распространенный ионизационный метод наиболее удачно реализуется в экстраполяционных камерах. Наличие в сложном р-спектре частиц с низкой энергией и соответственно с малой

длиной пробега приводит к неравномерной ионизации по на­ правлению распространения излучения. С помощью обычной ионизационной камеры можно получить лишь усредненный по всему ионизационному объему результат; это ограничивает точ­ ность определения координат точки, к которой следует отнести измеренную ионизацию. К р-излучению применима теория Брэг­ га—Грея, если ионизационный объем намного меньше пробега электронов. Вследствие конечных размеров ионизационного объ­

ема условия Брэгга—Грея для случая р-излучения могут быть существенно нарушены.

341

معلا

Рис. 92. Типичная зависимость ионизационного тока ٤٠ в экстраполяционной ка­ мере от расстояния между электродами Н

Рис. 93. Схема плоскопараллельной экстраполяционной камеры

Принцип экстраполяционной камеры заключается в том, что измеряется ионизация между электродами, расстояние между которыми может изменяться. Типичная кривая зависимости ионизационного тока ٤' от расстояния между электродами и представлена на рис. 92. Величина ئ=)ىله٠/هغ(/أتо называется экстраполяционным током и представляет собой предельное значение ионизационного тока насыщения на единицу ширины зазора: таким образом, исключается влияние зазора.

трод А служит для выранивания электрического ПОЛЯ и точного определения ионизационного объема. Энергия, поглощенная в единице объема материала электрода в на границе около за-

зора:

пар ионов, образующихся в единице объема зазора в единицу

времени2؛ ك и 5٢ —тормозная способность материала переднего электрода и газа в зазоре соответственно. Величина а определяется по экстраполяционному току: ،7=،٠3ا)ك3ح), где كو — площадь переднего электрода؛ع —заряд одного иона.

С учетом зависимости плотности газа от температуры и давления мощность поглощенной дозы ?7, гр/с, в материале переднего электрода на границе около зазора при температуре /, ٥с, и давлении р, мм рт. ст., определяется формулой

مما)(3ا4علآكتكقب. )110.2(

342

в этой формуле величина № выражена в электрон-вольтах: и — в амперах на 1 см; 3ك —в квадратных сантиметрах; ро-плот ность газа при р=760 мм рт. ст. и /=о٥с в граммах на 1 см3.

Меняя толщину переднего электрода, можно определить распределение поглощенной дозы по глубине.

Для целей р-дозиметрии можно использовать сцинтилляци-

онную технику. Однако в сцинтилляционных дозиметрах с тол-

стыми кристаллами усреднение дозы по толщине может привести к грубым ошибкам. Изготовление тонких кристаллов, толщина которых меньше пробега электронов, связано с определенными

трудностями. Дозу (излучения можно определить достаточно точно по измеренному с помощью сцинтилляционного спектро-

нов с энергией Е. Средняя доза, приходящаяся на одну 0-частицу, определится соотношением

Таким образом, средняя доза, приходящаяся на одну части­ цу, равна тормозной способности, усредненной по всему спектру. Величина (йЕ1(1х}г зависит от энергии 0-частицы, и эта зави­ симость достаточно хорошо известна. Определив эксперимент тально спектр 0-излучения, по известной зависимости (،/£/،/%) г

от энергии можно найти (،/£/،/%) ٤, т. е. ٥ь Тогда искомая доза

٥2=٥1Фо, где флюенс Фо измеряется одновременно с энергети­ ческим спектром сцинтилляционным спектрометром.

Этот удобный метод 0-дозиметрии разработал К. К. Аглин-

0-излучения от плоских источников. Специальные исследования показали, что ٥1 для данного нуклида и данного типа подложки

343

Р٠излучения. Пробег р-частиц, обладающих энергией до несколь٠

чении направленным пучком частиц пленки с двусторонним эмуль­

сионным слоем электроны с энергиями до 60 кэВ закончат свой

с несколько большей энергией задержатся задним эмульсионным слоем, и лишь частицы, обладающие энергией выше 250 кэВ, пройдут через оба эмульсионных слоя. По мере повышения энергии частиц их путь становится более прямолинейным. Элек­ троны низкой энергии могут иметь полную длину пути в эмуль­

сионном слое значительно больше, чем электроны высокой энер­ гии, длина пути которых приближается к толщине эмульсии. Указанные обстоятельства определяют заметную зависимость чув­ ствительности фотопленки от энергии падающих заряженных ча­

стиц. Наличие светозащитного экрана не позволяет регистриро­ вать электроны, пробег которых меньше толщины экрана. Помимо энергетической зависимости существенное значение име­

ет зависимость чувствительности от угла падения р-частиц. Сле­ дует различать чувствительность по дозе и чувствительность по потоку частиц. Угловая зависимость в обоих случаях различна.

Сравним чувствительность по дозе и по потоку для пленки

с бесконечно тонким эмульсионным слоем, т. е. будем считать, что толщина эмульсии значительно меньше пробега 6-частиц. Рассмотрим два случая: диффузионное падение частиц из всего полупространства над пленкой (это может быть, если источники

(рис. 94). Другими словами, это есть дифференциальная плот­ ность тока частиц через поверхность пленки. Если в единицу времени в единице объема пространства над пленкой dV воз­

никает пе электронов, то функция углового распределения плот­

v

344

где интегрирование производится по всему объему V, из кото-

рого частицы могут достичь пленки؛ г —расстояние от точки

А до элемента объема dV.

Каждый элемент объема рассматривается как точечный ИСточник, плотность потока частиц, от которого уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Элемент объема в сферических координатах dV==r2 sin QdQdrdqр. Подставляя его значение в выражение (110.6) и интегрируя по объему, радиус которого равен пробегу частиц в пространстве над пленкой /?о,

получаем

сти тока частиц через пленку при диффузионном падении.

Оптическая плотность пленки пропорциональна полному пути, проходимому заряженной частицей в заданной лпэ в эмульсионном слое. Если толщина слоя эмульсии равна ft, то частица, попадающая на эмульсию под углом 0, пройдет путь ft/cos 0. От-

сюда оптическая плотность пленки при диффузионном падении может быть определена выражением

$диф = а 110.8) ت /)0( ل٢ىل

где а —постоянный коэффициент.

Интегральную плотность тока частиц получим интегрированием функции распределения по всем углам:

Из формул (110.8) и (110.9) находим значение чувствительности по плотности тока частиц при диффузионном падении:

5диф/^٠диф=2٥^. (110.10)

Рассмотрим теперь направленное перпендикулярное падение. -В этом случае путь, проходимый каждой частицей в эмульсии,

равен толщине слоя л. Оптическая плотность пленки при направленном падении пропорциональна произведению плотности тока частиц на толщину эмульсионного слоя; плотность тока в этом случае совпадает с плотностью потока:

Hanp=۵)٠Hanpft٠

345

Сравнив выражения (110.10) и (110.11), можно сделать вывод,

что чувствительность по плотности тока частиц для тонкого эмуль­ сионного слоя в случае ненаправленного диффузионного падения в 2 раза выше, чем в случае направленного перпендикулярного падения.

Рассмотрим теперь излучение плоского бесконечно тонкого источника, находящегося на расстоянии у от поверхности пленки;

пленка и источник параллельны друг другу. Пусть в единицу

времени с единицы площади источника вылетает во все стороны электронов. Под углами в пределах от 0 до 0+٥0 в точку А

придут электроны из кольца радиусом р и шириной ٥р.

При определении оптической плотности пленки $пл и плот­

ности тока частиц через ее поверхность /пл для плоского источ­

стояние г равно пробегу частиц в воздухе 7?. Электроны, летящие под большим углом, не долетят до пленки:

нي8==ىلп5Н 1п ي— ;

по плотности тока частиц в случае моноэнергетических электронов, выходящих из тонкого непоглощающего слоя:

При выводе этой формулы предполагается, что каждый электрон, попавший в эмульсионный слой толщиной й, обязательно пере-

сечет его. в действительности при углах, близких к 00, часть

электронов остановится в эмульсионном слое. Величина этого эффекта в общем случае зависит от толщины эмульсии л и рас-

стояния у между пленкой и источником.

346

Рис. 95. Влияние угла падения электронов на энергетическую за­ висимость оптической плотности фотографической пленки:

5 — оптическая плотность при нормаль­ ном падении

Рис. 96. Принципиальная схема кожного дозиметра

Теоретически чувствительность по дозе для тонкого слоя не должна зависеть от угла падения частиц. Действительно, по­ глощенная доза в эмульсионном слое пропорциональна произ­ ведению плотности тока частиц на средний путь одной частицы в слое. Плотность тока обратно пропорциональна cos 0, средний

путь пропорционален cos 0, а их произведение от угла не зави­ сит. Так как оптическая плотность пропорциональна поглощен­

ной дозе, следовательно, и чувствительность по дозе не зависит от угла падения частиц.

В действительности наличие светонепроницаемого экрана и низкоэнергетических частиц в спектре излучения может привести к появлению угловой зависимости.

Кроме того, при большом угле падения путь электронов в эмульсии увеличивается настолько, что заметная часть электро­ нов заканчивает в ней свой пробег. Этот эффект тем сильнее, чем больше угол падения. Следовательно, даже для «голого» эмульсионного слоя конечной толщины дозовая чувствительность уменьшается при достаточно большом угле падения электронов.

Рисунок 95 дает представление о влиянии угла падения элек­ тронов на энергетическую зависимость оптической плотности фо­ тографической пленки.

Необходимость измерять чистое ،3-излучение для оценки ра­ диационной опасности возникает довольно редко. Гораздо чаще требуется производить измерения в смешанном корпускулярно­ фотонном поле излучения. Индивидуальную дозиметрию в этих условиях можно произвести фотографическим методом. Для одно­ временной оценки степени опасности от различных видов излу­ чений в смешанном поле все большее распространение получают многопольные фотодозиметры.

Внешние потоки (3-излучения действуют прежде всего на кожу, поражение которой и определяет радиационно-индуцированный эффект. Исследования, выполненные под руководством Д. П. Оса­ нова, по установлению связи между поглощенной дозой в коже и медико-биологическими показателями ее лучевого поражения

347

привели к разработке кожного дозиметра, показания которого адекватны радиационно-индуццрованному эффекту.

В структуре живой кожи можно выделить два слоя: наруж­ ный толщиной примерно 7 мг/см2 (70 мкм), состоящий из мерт­

вых клеток, не чувствительных к излучению, и чувствительный слой — эпидермис, основу которого составляют радиочувствитель­

ные базальные клетки. Исследования показали, что базальные клетки неравномерно распределены по толщине кожи: макси­ мальная их концентрация приходится на глубину в пределах до 100 мкм от поверхности кожи, затем концентрация базальных клеток падает до нуля. Базальные клетки находятся в коже на глубине до 2000 мкм. Под действием излучения часть базальных

клеток гибнет и их начальное глубинное распределение изме­ няется.

Полное количество базальных клеток в ткани, приходящееся на единицу площади поверхности кожи, т١ однозначно связано со степенью ее лучевого поражения. Величина ،٩ названа авто­

рами упомянутого исследования интегральной клеточностью эпи­ дермиса, которую и принимают в качестве количественной ха­ рактеристики состояния кожи после облучения. Интегральную клеточность эпидермиса т١ можно представить следующей фор­ мулой:

клеток по глубине кожи х до облучения; п(х)йх — концентрация

клеток на глубине в пределах от х до х+،/х; 5(х) —вероятность

лению, обеспечивающему восстановление кожи. Установлена сле­ дующая зависимость 5(х) от дозы:

метр должен измерять распределение дозы £>(х), поскольку это распределение однозначно определяет интегральную клеточность

эпидермиса.

Принципиальная схема кожного дозиметра Д. П. Осанова по­ казана на рис. 96. Плоские, тонкие, чувствительные 6-излучению детекторы 1 помещены в тканеэквивалентную матрицу 3. Рас­ стояние между детекторами подобрано так, чтобы плавную дозовую функцию О(х) можно было восстановить с приемлемой точностью по показаниям трех детекторов. В одном из вари­ антов дозиметра чувствительными детекторами служат фторопла­ стовые пленки толщиной 40 мкм с внедренным в них фтористым литием. Детекторы расположены на расстояниях 50, 500 и 1500 мкм от передней поверхности. Светонепроницаемое входное окно 2 имеет диаметр 15 мм и толщину 1 мг/см2. Весь дозиметр,

348

ПРОБЛЕМНЫЕ ЛЕКЦИИ

ЛЕКЦИЯ ПЕРВАЯ

ПРОБЛЕМА ТОЧНОСТИ В ДОЗИМЕТРИИ

1.Элементы метрологии в области ионизирующих излучений

ирадиоактивности

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точ­ ности. К метрологии относятся: общая теория измерений, еди­ ницы физических величин и их системы, методы и средства измерений, основы обеспечения единства измерений и едино­ образия средств измерений, эталоны и образцовые средства из­ мерений, методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

В основе метрологии лежит учение о мерах. Мера воспро­ изводит физическую величину заданного размера. Меры могут быть однозначными и многозначными. Однозначная мера вос­ производит физическую величину одного размера, многознач­ ная— ряд одноименных величин различного размера. По мет­ рологическому назначению различают меры эталонные, образ­ цовые и рабочие. Эталонные меры составляют эталоны.

Эталон единицы физической величины — это средство или комплекс средств измерений, обеспечивающих воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины в целях пе­ редачи ее размера стоящим ниже на поверочной схеме сред­ ствам измерений; средство или комплекс средств измерений, со٠

ставляющих эталон, выполняется по особой спецификации и

требует официального утверждения в установленном порядке

вкачестве эталона.

Виерархии средств измерений в пределах страны высшее

место занимает государственный первичный эталон, который

предназначен для воспроизведения и хранения единицы физи­ ческой величины и передачи ее размера при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. Низшее звено этой иерархии — рабочие средства из­ мерений, которые применяют для измерений, не связанных с пе­ редачей размера единиц физических величин. Это те рабочие инструменты, приборы, установки, которые предназначены для практических измерений в научных исследованиях, в производ­ стве, быту и т. п. Кроме государственных первичных эталонов существуют государственные специальные эталоны, которые вос­ производят единицы физических величин в особых условиях; для этих особых условий специальный эталон заменяет собой первичный эталон. Государственные эталоны (первичные и спе-

350