2. Потоковые характеристики поля излучения

Полем ионизирующего излучения называют область пространства, каждой точке которой соответствуют физические величины, являющиеся характеристиками поля излучения.

Характеристики поля определяют пространственно-временное распределение излучения в рассматриваемой среде. Дифференциальные характеристики поля описывают также энергетическое и угловое распределения излучения. На практике часто используют интегральные потоковые характеристики поля излучения – поток ионизирующих частиц, плотность потока ионизирующих частиц, поток энергии (Ф) ионизирующего излучения, интенсивность излучения.

Выделим вокруг данной точки пространства сферу с площадью центрального поперечного сечения ΔS. Пусть в объем этой сферы проникает ΔN частиц любой энергии и в любом направлении. Уменьшая размеры сферы, перейдем в пределе при ΔS  0 к бесконечно малым величинам dN и dS.

Поток ионизирующих частиц (фотонов) Фп, – число ионизирующих

частиц dN, падающих на данную поверхность за время dt:

. (1)

Плотность потока ионизирующих частиц  поток ионизирующих частиц d, проникающих в объем элементарной сферы через единицу площади поперечного сечения dS этой сферы:

(2)

Поток энергии Ф ионизирующего излучения – энергия dЕ ионизирующего излучения, проходящего через данную поверхность за единицу времени:

(Дж·с^-1=Вт). (3)

Плотность потока энергии ионизирующего излучения  – поток энергии ионизирующего излучения dФ, проникающего в объем элементарной сферы через единицу площади поперечного сечения этой сферы:

(Вт·м^-2). (4)

Плотность потока энергии ионизирующего излучения представляет собой интенсивность излучения.

3. Дозовые характеристики поля излучения

Дозовые характеристики поля излучения учитывают взаимодействие ионизирующего излучения со средой. При прохождении через вещество ионизирующее излучение передает ему часть своей энергии. Передача энергии происходит при пересечении данного объема вещества заряженными частицами или при освобождении заряженных частиц в этом объеме под действием косвенно ионизирующего излучения (Прилож.5).

Переданная энергия реализуется в процессах ионизации и возбуждения атомов, упругих столкновений; некоторая часть этой энергии может пойти на тормозное излучение, на увеличение массы покоя вещества и ядерные превращения. Энергия ионизирующего излучения, переданная веществу в пределах данного объема, в конечном итоге преобразуется в энергию теплового движения молекул вещества и расходуется на необратимые химические реакции. Эта энергия и составляет поглощенную энергию излучения.

Поглощенная доза излучения D – энергия ионизирующего излучения dE, поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу его массы dm:

Дж·кг^-1=1Гр(грэй); (5)

1Гр = 100 рад = 6,24110¹⁵ эВ·г^-1

Мощность поглощенной дозы излучения Р-приращение (скорость
накопления) поглощенной дозы излучения (в единицу времени):


(Гр·с^-1). (6)

Линейная передача энергии заряженных частиц в среде, (ЛПЭ или ) определяется выражением:

L_Δ=(dE / dl) _Δ , (7)

где dЕ – средние потери энергии частицы на малом отрезке пути dl, обусловленные такими соударениями с атомами, при которых переданная энергия меньше Δ.

При прохождении заряженной частицы через вещество значительная часть ее энергии расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, некоторая часть – на тормозное излучение. В процессе ионизации атомов могут появляться и вторичные электроны, способные к дальнейшей ионизации (-электроны).

Величина L_Δ не включает в себя энергию, затраченную на тормозное излучение (радиационные потери), и кинетическую энергию -электронов, если последняя больше заданного значения А. Если пороговая энергия не ограничена, то ЛПЭ включает энергию всех -электронов и называется полной ЛПЭ, которую обозначают L. Она совпадает с линейной ионизационной тормозной способностью среды (dЕ/dх)_ион.

Единицей ЛПЭ в системе СИ является джоуль на метр, Дж/м. В качестве специальной единицы используют килоэлектронвольт на микрометр воды, 1 кэВ/мкм = 0,16 нДж/м.

ЛПЭ характеризует качество излучения. При одной и той же поглощенной дозе D микрораспределение переданной энергии вдоль треков заряженных частиц в среде и, следовательно, величина ЛПЭ существенно зависит от вида и энергии излучения. Например, α-частицы (L 175 кэВ/ мкм воды) создают в мягкой биологической ткани в десятки и сотни раз большую плотность ионизации, чем электроны (L<3,5 кэВ/мкм). Этим объясняется различие в биологическом действии - и -излучений.

Для косвенно ионизирующего (незаряженного) излучения наряду с поглощенной дозой применяется другая величина – керма, К. Керма есть отношение суммарной кинетической энергии dE_K всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе дт вещества в этом объеме;

. (8)

В общем случае керма и поглощенная доза не равны, так как керма характеризует выделившуюся в некотором объеме вещества энергию вторичных заряженных частиц, а поглощенная доза – фактически поглощенную энергию излучения в этом объеме. Различия между кермой и поглощенной дозой особенно существенны вблизи поверхности облучаемого объекта. При условии электронного равновесия (см. ниже) керма и поглощенная доза совпадают. Единицы кермы и мощности кермы те же, что и для поглощенной дозы (Гр) и ее мощности (Гр/с).

Керму рассчитывают по соотношению:

, (9)

где Ф и Е – флюенс и энергия фотонного или нейтронного моноэнергетического излучения, а – массовый коэффициент преобразования энергии косвенного излучения в энергию заряженных частиц. Для фотонного излучения вместо пользуются массовым коэффициентом передачи энергии .

Электронным равновесием называется такое состояние взаимодействия фотонного излучения со средой, при котором поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна суммарной кинетической энергии вторичных электронов, образованных в этом объеме, и, следовательно, поглощенная доза излучения равна керме, D = К. При электронном равновесии суммарные кинетические энергии электронов, входящих в объем и выходящих из него, равны (Для нейтронного излучения говорят о «равновесии вторичных заряженных частиц»). Электронное равновесие осуществляется в некоторой области вещества, если она окружена слоем того же вещества толщиной, равной максимальному пробегу вторичных электронов. В биологической ткани электронное равновесие достигается на глубине нескольких миллиметров.

Экспозиционная доза фотонного излучения D_экс (или Х) является мерой ионизационного действия рентгеновского и  -излучения в воздухе. Она равна отношению суммарного заряда dQ. ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении вторичных электронов, образованных фотонами в элементарном объеме, к массе dm воздуха в этом объеме:

D_экс =dQ/dm (10)

Понятие экспозиционной дозы поясняет рисунок 2, на котором условно показано освобождение вторичных электронов направленным  -излучением в воздухе. Заряд dQ включает заряд всех ионов одного знака (обозначены точками), созданных только теми электронами и позитронами, которые образовались в массе воздуха dm. Термин «экспозиционная доза» используется для фотонного излучения с энергией 1 кэВ – 3 МэВ.

Рисунок 2. Определение экспозиционной дозы.