4. Закон ослабления моноэнергетического ионизирующего излучения веществом.

Пусть на поверхность плоской мишени перпендикулярно к ней падает параллельный моноэнергетический поток і-квантов (рис.2.7). Первичный пучок в веществе ослабляется за счет поглощения и рассеяния і-квантов. Рассеиваясь на электроне, і-квант теряет часть своей энергии и меняет направление своего движения. Если обозначим через I поток падающих і-квантов, т.е. число частиц, проходящих через 1 см2 в 1 секунду, то пройдя слой вещества dx, пучок ослабнет на величину dI. Очевидно, что величина dIпропорциональна величине потока I на поверхности слоя и толщине слоя dx.

Ослабление b -излучения с непрерывным энергетическим спектром описывается сложным законом, представляющим собой суперпозицию, которая возникает при сложении всего множества линейных кривых ослабления, соответствующих моноэнергетическим электронам со всевозможными энергиями от нулевой до максимальной энергии Еmax данного спектра b - излучения. Однако начальный участок графика ослабления хорошо описывается экспоненциальной зависимостью:

n_l = n₀ * e^-m'l,

n₀ - число b - частиц, падающих на вещество - поглотитель;

n_l - число b - частиц, прошедших сквозь вещество - поглотитель;

  l - толщина поглотителя; 

m' - линейный коэффициент ослабления.

Линейный коэффициент ослабления m' зависит от максимальной энергии излучения Е_max и свойств вещества - поглотителя. При определении энергии b -частиц в первом приближении m' зависит от числа электронов n_e в единице объема вещества - поглотителя. Последнюю величину n_e легко определить с помощью параметров Z и A, числа Авогадро N_a и плотности вещества r, используя соотношение: n_e= N_arZ/A.

Считая линейный коэффициент ослабления m' пропорциональным числу электронов 

n_{e m' = Kne.}

  _{К - коэффициент пропорциональности, получаем удобное для теоретического анализа соотношение: m' = KNaArZ/A.}

_{Используя экспоненциальный закон ослабления nl = n0 * e}^-md_{, можно вывести зависимость между слоем половинного ослабления d1/2 и массовым коэффициентом ослабления m. Слоем половинного ослабления b -излучения d1/2 называют толщину поглотителя, снижающую вдвое кол-во b -частиц.}

nl/n0  =  e-md1/2

Экспоненциальный закон ослабления g -излучения предполагает отсутствие конечного пробега g -излучения в веществе-поглотителе. Поэтому проникающую способность g -излучения характеризуют толщиной слоя половинного ослабленияd_1/2 или коэффициентом ослабления m_g.

При теоретическом анализе коэффициент ослабления m_g  можно представить в виде суммы коэффициентов фотоэлектронного поглощения t, комптоновского рассеяния s и образования электрон-позитронных пар c:m_g = t + s + c.

5. Дозиметрия

Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению дозиметрии.

Дозиметрия - раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Процессы взаимодействия излучения с тканями протекают поразному для различных типов излучений и зависят от вида ткани. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом.Поглощенная энергия - первопричина всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина - доза излучения (доза - порция).

Поглощенная доза (D) - величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея.

1 Гр - это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10^-2 Гр).

Эквивалентная доза

Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излученияхарактеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр - коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной дозе.

Коэффициент качества - безразмерная величина.

Эквивалентная доза (Н) равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения:

В СИ единица эквивалентной дозы называется зивертом (Зв) - в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта. Наряду с зивертом используется и внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр = 10-2 Зв. Если организм подвергается действию нескольких видов излучения, то их эквивалентные дозы (Нi) суммируются.

Эффективная доза

При общем однократном облучении организма разные органы и ткани обладают различной чувствительностью к действию радиации. Так, при одинаковой эквивалентной дозе риск генетических повреждений наиболее вероятен при облучении репродуктивных органов. Риск возникновения рака легких при воздействии α-излучения радона в равных условиях облучения выше, чем риск возникновения рака кожи и т.д. Поэтому понятно, что дозы облучения отдельных элементов живых систем следует рассчитывать с учетом их радиочувствительности. Эффективная доза (Н_эф) - это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека с учетом радиочувствительности отдельных его органов и тканей.Эффективная доза равна сумме произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие им весовые коэффициенты.

Экспозиционная доза

Поглощенная и связанная с ней эквивалентная дозы облучения характеризуют энергетическое действиерадиоактивного излучения. В качестве характеристикиионизирующего действия излучения используют другую величину, называемую экспозиционной дозой.Экспозиционная доза является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами.

Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон - это очень большой заряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р), 1Р = 2,58х10^-4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08х10⁹ пар ионов.

Связь между поглощенной и экспозиционной дозами выражается соотношением

где f - некоторый переводной коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и длины волны излучения.

Соотношения между различными дозами выражаются следующими формулами: