точках этого пространства. Объем необходимой выборки, обеспе- чивающий заданную точность определения параметров простран- ствен-ного распределения дозы, связан с погрешностью прибора уже известной нам закономерностью: чем-выше погрешность прибора, тем больший объем выборки требуется. По сравнению с 'рассмот- ■ренны^ выше случаем контроля радиоактивности здесь отсутству- ют процедура отбора пробы, и связанные с нею погрешности, вхо- дящие, в величину о². Если речь идет просто об измерении дозы без анализа энергетического спектра излучения, то (ا0²&=2ل

К этому же классу задач относится задача установления рас- пределения индивидуальных доз среди большой группы' людей путем выборочного дозиметрического контроля. Можно ож'идать, что оптимизация приборной погрешности по экономическому кри- терию в этом случае оправдает .себя по отношению к приборам, предназначенным для массовых многократных измерений в тече- ние длительного времени.

ЛЕКЦИЯ ВТОРАЯ

ПРОБЛЕМА АДЕКВАТНОСТИ В ДОЗИМЕТРИИ

1. В чем проблема!

Одна из важнейших задач дозиметрии, связанная с воздейст­вием излучения на объекты живой и неживой природы, — установ­ление зависимости между измеряемыми физическими величинами и выходом наблюдаемого радиационно-индуцированного эф­фекта ،:٩

٣٠), (П2.1)

где ۶(٠г)—некоторая функция одной или комбинации нескольких физических величин ٠_г٠.

Выход радиационно-индуцированного эффекта есть результат преобразования энергии излучения при его взаимодействии с ве­ществом. Рассмотрим последовательность процессов, приводящих к некоторому наблюдаемому эффекту (рис. 100).

Первичное излучение, поле которого характеризуется функциона­лом <р(г, Е, 2؛), теряет в облучаемом объекте энергию ДЕ; процесс потери энергии можно охарактеризовать сечениями взаимодейст­вия и тормозной способностью вещества. Потерянная энергия в общем случае не равна энергии, переданной веществу; процесс передачи энергии характеризуется своим коэффициентом передачи рь и ЛПЭ излучения, а количественной мерой переданной энергии служит керма. Часть переданной энергии в пределах выделенного объема вещества формирует поглощенную энергию излучения, ко­личественно выражаемую дозой О.

Поглощенная энергия излучения является первопричиной всех последующих классов, однако, как мы знаем, это не означает, что

365

Передача энергии

Потеря энергии

٠

Поглоще­ние энергии

Эффект

процессы

27

Л п

Рис. 100. Последовательность процессов, приводящих к радиационно-индуциро­ванному эффекту

при равенстве поглощенной энергии в различных условиях облу­чения обязательно будут равны выходы радиационно-индуциро­ванного эффекта даже для одного и того же облучаемого объекта» Многие первичные процессы, развивающиеся вслед за поглощением энергии, хорошо изучены (например, ионизация и возбуждение атомов вещества), и выход некоторых из них однозначно связан с дозой излучения. Однако за первичными процессами возможна сложная цепочка физических, химических и биологических превра­щений, приводящих в конечном итоге к наблюдаемому эффекту ٩٩٠ Механизм этих превращений не всегда известен, а их точное опи­сание часто невозможно. На рисунке они заключены в «черный ящик».

Установить связь по формуле (П2.1) возможно лишь тогда, когда измеряемые дозиметрические величины однозначно опреде­ляют выход радиационно-индуцированного эффекта в заданном объекте в конкретных условиях его облучения. Возникает необ­ходимость применять целый набор физических величин, характе­ризующих поле излучения или взаимодействие излучения с вещест­вом, из которых в зависимости от условий облучения выбирают те, которые представляются наиболее адекватной мерой радиа­ционно-индуцированного эффекта. В этом смысле мы говорим, что дозиметрия должна быть адекватной условиям радиационного воздействия и его ожидаемым последствиям. Было бы идеальным указать способ измерения одной единственной универсальной фи­зической величины, которая удовлетворяла бы указанным требо- ниям. Как мы знаем, такой величины, инвариантной к разнообраз­ным условиям облучения, различным видам облучаемого объекта, разнообразию радиационных эффектов, нет, и более того, по-види­мому, не существует в природе.

Функциональная зависимость (П2.1) лежит в основе любых дозиметрических измерений. Выбор величины С٨٠ подчиняется тре­бованию адекватности. Это можно проследить на примере разви­тия дозиметрии и усложнения ее задач в аспекте радиационной безопасности по мере накопления наших знаний о биологическом действии ионизирующих излучений.

До пуска первого ядерного реактора (1942 г.) основным видом ионизирующих излучений, используемых человеком, были рентге­

366

новское излучение и у-излучение радия. Представление о том, что поглощенная энергия достаточно полно характеризует биологиче- ский эффект облучения, определило основную задачу дозиметрии в тот период: определение поглощенной энергии в облучаемом объекте на основании измерения ионизационного эффекта излу­чения в воздухе. Была развита концепция измерения дозы излу،• чения в единицах «рентген».

Появление новых источников ионизирующих излучений (реак٠ торы, ускорители) привело к необходимости дифференцированного подхода к дозиметрии различных видов излучения. Ионизацион­ный эффект не мог служить однозначной мерой поглощенной энер­гии всех видов излучения, и было введено понятие поглощенной дозы. К этому времени уже установили, что биологический эффект облучения определяется не только поглощенной энергией, но и другими физическими факторами, и прежде всего ЛПЭ ионизирую­щих частиц. В целях учета особенностей биологического действия различных видов излучений было введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ). Это привело к концепции биологической дозы и вызвало к жизни новую дозиметрическую величину — биологический эквивалент рентгена (бэр) *.

На этой стадии развития дозиметрии возникла необходимость различать задачи, связанные с обеспечением радиационной без­опасности, и чисто радиобиологические аспекты дозиметрии. Уста­навливаются регламентированные значения ОБЭ для разных видов излучения в зависимости от ЛПЭ заряженных частиц — коэффици­ент качества. Во многих случаях для оценки радиационной опас­ности знания поглощенной энергии и коэффициента качества практически достаточно. Это обеспечивает правомерность концеп­ции поглощенной дозы. Таким образом, задачей эксперименталь­ной дозиметрии в области радиационной защиты является опреде­ление дозы излучения и действующего коэффициента качества.

Относительная биологическая эффективность определяется в конкретных условиях радиобиологического эксперимента, и уста­новление связи между ОБЭ и ЛПЭ возможно, если известен спектр частиц по ЛПЭ. Если такая связь установлена, то, измеряя рас­пределение дозы излучения по ЛПЭ ионизирующих частиц, можно количественно определить биологический эффект. Таким образом, задачей экспериментальной дозиметрии становится измерение рас­пределения дозы по ЛПЭ внутри облучаемого объекта.

Примером технических средств для решения этой задачи могут служить сферический пропорциональный счетчик или система де­текторов, чувствительность которых зависит от ЛПЭ. Зная распре­деление дозы по ЛПЭ, легко установить коэффициент качества, по­этому задачу дозиметрии в области противорадиационной защиты следует рассматривать как частный случай более общей задачи определения спектра дозы по ЛПЭ.

* Позднее величина бэр стала обозначать биологический эквивалент рада، В настоящее время бэр — внесистемная единица эквивалентной дозы. Ее не сле­дует трактовать как биологический эквивалент рентгена или рада،

367

Современное состояние радиобиологии требует еще более де­тальной информации о процессе передачи энергии в биологическом объекте. Знание спектра дозы по ЛПЭ может оказаться недоста­точным для анализа тонких механизмов, определяющих реакцию биологического объекта на облучение. Возникает необходимость в количественной оценке энергии, передаваемой таким микрострук­турам, как живая клетка и даже отдельные ее части. Количест­венную оценку переданной энергии в таких микрообъемах нельзя производить с помощью макроскопических значений дозы и ЛПЭ. Возникает качественно новая область дозиметрии — микродозимет­рия, в задачу которой входит определение переданной энергии и ее распределения в таких микрообъемах, для которых неприме­нима концепция поглощенной дозы. Предметом измерения здесь являются энергия, переданная в единичных актах взаимодействия излучения с веществом, и ее флюктуации.

Итак, в зависимости от поставленной задачи необходимо опре­делять либо поглощенную энергию излучения в заданном объеме вещества, либо распределение этой энергии по ЛПЭ (ЛПЭ-спектр), либо спектр энергопоглощения в отдельных событиях передачи энергии. Соответствующие физические величины непосредственно в измерении относятся к некоторому модельному объему, в каче­стве которого выступает чувствительны؛! объем дозиметрического детектора.

Можно, следовательно, представить, что в обобщенном виде за­дача экспериментальной дозиметрии сводится к измерению физи­ческих величин, характеризующих процесс передачи энергии из­лучения веществу в пределах модельного объема, размер которого связан с видом измеряемой величины. Это позволяет систематизи­ровать задачи дозиметрии на основе критериев малости модельного объема. В табл. П2.1 приведен вариант такой систематизации. В ней прослеживается определенная иерархия: измерение погло، щенной энергии выступает как частный случай ЛПЭ-метрии, кото­рая в свою очередь является частным случаем микродозиметрии.

По отношению к заданному определенному модельному объему условия облучения могут различаться лишь качеством излучения и временным режимом облучения. Однако на практике по отклику детектора, по измеряемой физической величине необходимо судить о последствиях воздействия излучения на другие объекты или их составные части (например, на различные органы и ткани в живом организме) — такова конечная цель. Вот тут-то и сказывается упомянутое выше все многообразие как условий облучения, так и параметров облучаемых объектов. При этих условиях адекват­ность в дозиметрии остается актуальной и не до конца решенной проблемой.

Можно представить себе следующие пути ее решения: 1) нара­щивание числа дозиметрических величин с приближением его к числу возможных на практике радиационных ситуаций; 2) расши­рение инвариантности ограниченного числа дозиметрических ве­личин путем их модификации и применения в различных сочетаниях; 368

Примеры эксперимен-

тальных средств

Таблица П2.1. Систематика задач дозиметрии

Определяемая величина

Критерий малости элементарного объема

Практическое приложение

Поглощенная энергия

Распределение поглощенной энер­гии по ЛПЭ

Энергия, переда­ваемая ионизи­рующей частицей в отдельных актах взаимодействия с атомами среды

Достаточно мал, чтобы было равно­мерное распределение дозы, но достаточно велик, чтобы была применена концепция поглощенной дозы

Достаточно мал, чтобы считать, что для каждой ионизи­рующей частицы ЛПЭ остается постоянным, и достаточно велик, чтобы пренебречь флюктуациями в пе­редаче энергии от­дельными частицами

Настолько мал, что становятся сущест­венными флюктуации энергии, переданной в пределах элемен­тарного объема

Дозиметрия фо­тонного излучения для целей радиа­ционной защиты; клиническая дози­метрия; техноло­гическая дозимет­рия; радметрия смешанного излу­чения

Дозиметрия лю­бого вида излуче­ния для целей ра­диационной защи­ты; дозиметрия для радиобиологи­ческих исследова-

Стеночные иони­зационные каме­ры; химические до- дозиметры; люми­несцентные дози­метры и т. п.

Сферический про­порциональный счетчик; набор де­текторов, чувстви­тельных к ЛПЭ; рекомбинационная камера; жидкост­ные камеры

Радиобиология; изучение таких ре­акций облучаемого объекта, которые определяются пе­редачей энергии чувствительным микрообъемам; микродозиметрия

Сферический пропорциональный счетчик понижен­ного давления

3) создание искусственных условий измерения, для которых может быть найдено небольшое число измеряемых дозиметрических вели­чин, инвариантных к изменению типичных и наиболее важных ус­ловий облучения, встречающихся на практике; имитация в из­мерительной процедуре реальных условий.

Первый путь представляется бесперспективным. Дозиметрия на этом пути развития может просто «захлебнуться» в своем собст­венном многообразии. Второй и третий пути уже являются объек­том научного поиска и частично реализуются. Типичный пример модифицированной дозиметрической величины — эквивалентная доза, совокупность принципов и методов измерения которой состав­ляет предмет эквидозиметрии *. Примером совокупного примене­ния различных физических величин может служить формула (95.4), связывающая несколько физических величин (моменты) с выходом эффекта.

Третий путь — имитация реальных условий — предусматривает применение фантомов. Фантом — это математическая или физиче-

٠ Термин «эквидозиметрия» введен И. Б. Кеирим-Маркусом, внесшим су­щественный вклад в этот раздел дозиметрии.

369