3. Закон ослабления рентгеновского и гамма-излучения веществом

Ослабление потока рентгеновых и гамма-лучей при прохождении их через слой вещества толщиной хколичественно описывается законом Бугера:

I = I₀ e^-x

Здесь I₀ – интенсивность падающего излучения, I – интенсивность излучения после прохождения через вещество.  - коэффициент ослабления. Он зависит от порядкового номера элемента, а также от вида и энергии излучения. Значения коэффициента ослабления для некоторых веществ приведены в таблице.

Наряду с коэффициентом ослабления  часто пользуются другой величиной, называемой слоем половинного ослабления. Это толщина вещества, которая ослабляет интенсивность излучения вдвое. Его обозначают d_1/2. Слой половинного ослабления и коэффициент ослабления связаны между собой:  = 0,693/d_1/2. Закон Бугера, записанный через слой половинного ослабления, принимает вид:

I = I₀ e^-0,693x/d

Зная величину слоя половинного ослабления в стандартном веществе (например в алюминии), можно сравнить жесткость (проникающую способность) разных излучений. Чем больше слой половинного ослабления, тем более жестким является излучение.

В ряде случаев поглощающий слой вещества удобнее характеризовать не толщиной, а величиной массы, приходящейся на единицу площади (m/S). Тогда, вводя массовый коэффициент ослабления _м = /, где  - плотность вещества, можно переписать закон Бугера в виде:

I = I₀ exp(-_mm/S)

Значения массовых коэффициентов ослабления в разных веществах гораздо меньше отличаются друг от друга, чем линейные коэффициенты ослабления и поэтому ими пользоваться удобнее. Приведем для сравнения следующую таблицу:

Вещество	, см-1	m, см2г-1
Вода Воздух Алюминий Бетон	0,17 0,0002 0,44 0,39	0,17 0,16 0,17 0,17

Если излучение проходит последовательно через несколько разных веществ, то при использовании массового коэффициента ослабления аргументом экспоненты становится суммарная толщина слоя вещества, выраженная в массовых единицах.

4. Понятие дозы. Мощность дозы. Экспозиционная и эквивалентная дозы

При облучении ионизирующим излучением какого-либо объекта, особенно если это излучение обладает высокой проникающей способностью, значительная часть излучений проходит через объект. Однако эффекты воздействия ионизирующего излучения на вещество определяются лишь той его частью, которая непосредственно взаимодействует с атомами и молекулами этого вещества. Поэтому вводят понятие дозы излучения или поглощенной дозы.

Доза излучения – это величина, равная энергии излучения, поглощенной в единице массы вещества.

D = W_погл./m (1).

Единицей измерения дозы в системе Си является грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж кг^-1.

Используется также внесистемная единица рад (по первым буквам английского выражения «radiation absorbed dose», что переводится как поглощенная доза радиации). 1 рад = 0,01 Гр; (1Гр = 100 рад).

Зная дозу, легко найти энергию, поглощенную в объекте. Так, например, доза 6 Гр = 600 рад с 50%-ной вероятностью является для человека смертельной. Ее обозначают LD₅₀. При массе человека 75 килограммов в его теле поглощается 450 Дж энергии. Если сравнить эту энергию с тепловой энергией, то она равна количеству тепла, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 100 граммов воды на один градус. Но для организма такое количество тепла не представляет никакой опасности, поскольку он имеет мощные механизмы терморегуляции. Организм имеет защитные механизмы и от ионизирующей радиации, однако при поглощении летальной дозы их эффективность равна 50 процентам.

Имеет место понятие мощности дозы, которая равна дозе, полученной за единицу времени: P = D/t (2).

Единицы мощности дозы – Гр/с; рад/с; Гр/час; рад/час.

Экспозиционная и эквивалентная дозы.

Понятие дозы является основным для дозиметрии, но измерить ее очень трудно, а в обычных условиях невозможно. Дозиметрические измерения проводят в падающем потоке излучения, используя для этого дозиметрические приборы, где датчиками служат ионизационные камеры, наполненные газом. Измеряемой величиной при этом служит заряд ионов, образующихся в результате облучения. Отсюда возникло понятие экспозиционной дозы.

Экспозиционная доза – это величина, равная отношению общего заряда ионов одного знака, созданных излучением в веществе, к массе этого вещества.

D_эксп = Q/m (3).

Единицей измерения экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл кг^-1). Часто используется и внесистемная единица измерения – рентген. Один рентген – это экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в результате полной ионизации в 1 см³ сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд, равный 1 единице СГС_Q каждого знака. Нетрудно подсчитать, что экспозиционная доза 1Р соответствует образованию 2,0810⁹ пар ионов в 0,001293 г сухого воздуха. 1 Кл кг^-1 = 3876 Р; 1 Р = 2,58 10^-4 Кл кг^-1. Имеет место мощность экспозиционной дозы, определяемая как:

P_эксп = D_эксп./t (4).

Доза ионизирующего излучения пропорциональна экспозиционной дозе:

D = D_эксп. (5),

при этом коэффициент  зависит от природы облучаемого вещества, вида излучения и его энергии. Так для мягких тканей человека при облучении их рентгеновскими или гамма-лучами с энергией от 40 кэВ до 3 МэВ коэффициент  приблизительно равен 36. Поэтому D (Гр) = 36 D_эксп(Кл кг^-1). Из обратного соотношения следует, что летальной дозе в 6 Гр соответствует экспозиционная доза в 1/36 Кл кг^-1. Для внесистемных единиц коэффициент  приблизительно равен единице и доза в радах приблизительно равна экспозиционной дозе в рентгенах. Однако для других излучений или тканей с другой поглощающей способностью это соотношение будет другим. Так для костей  для внесистемных единиц равен 2,5, что существенно для оценки действия на них ионизирующего излучения.

Приборы для измерения экспозиционной дозы или ее мощности (дозиметры) в качестве основного элемента содержат в своем составе датчик, преобразующий энергию ионизирующего излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации. Как правило, преобразование идет в энергию электрического тока. Различают следующие виды датчиков:

1. Ионизационный датчик – его работа основана на ионизации сухого воздуха или газа под действием ионизирующего излучения.

2. Полупроводниковый датчик – основан на изменении проводимости p-n перехода под действием излучений.

3)Сцинтилляционные датчики – основаны на явлении радиолюминесценции.

Другим непременным блоком дозиметрического прибора является усилитель, так как ток, возникающий в датчике, черезвычайно мал и его необходимо усиливать.

В качестве простейшего регистрирующего устройства может быть использован обычный микроамперметр.

Для оценки биологического действия на организм человека ионизирующих излучений вводится понятие эквивалентной дозы облучения. Эквивалентную дозу определяют по биологическому эффекту, производимому излучением. Это определение не является строгим, поскольку под биологическим действием можно понимать разные эффекты (летальный исход, возникновение лучевой болезни и др.). В большинстве случаев определяют эквивалентную дозу по LD₅₀. Между дозой и эквивалентной дозой имеет место соотношение:

D_экв = W_RD (6).

Символом W_R здесь обозначен взвешивающий коэффициент, который характеризует относительную биологическую эффективность разных видов излучений. При этом за единицу принимают биологическую эффективность рентгеновых лучей. Ориентировочные значения взвешивающих коэффициентов приведены в следующей таблице:

Вид илучения WR

Альфа-частицы 20 Протоны 5 Быстрые нейтроны 20 Медленные нейтроны 5 Бета-частицы 1 Рентгеновы и гамма-лучи 1

Более детальные таблицы, учитывающие энергию частиц и условия облучения, можно найти в соответствующей литературе. Из таблицы видно, что взвешивающие коэффициенты имеют большее значение для излучений с большей ионизирующей способностью.

Эквивалентная доза измеряется в единицах зиверт (Зв). Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада). Поскольку 1 Гр = 100 рад, то 1 Зв = 100 бэр; 1 бэр = 0,01 Зв.

При оценке действия ионизирующих излучений на человеческий организм необходимо учитывать именно значение эквивалентной дозы облучения, поскольку именно она служит для оценки тяжести лучевого поражения.

Если на человека одновременно действуют несколько разных видов излучений, то общий эффект облучения будет характеризоваться суммарной эквивалентной дозой:

D_экв. = (W_R)_i D_i (7).

Мощность эквивалентной дозы равна:

Р_экв = D_экв/t (8).

Единицами измерения мощности эквивалентной дозы являются Зв/с, бэр/с, мбэр/час и т.д.

5. Связь мощности дозы с активностью источника излучений.

В случае чистых альфа- или бета-излучателей расчет мощности дозы сравнительно прост. Все альфа- и бета-частицы поглощаются в тканях организма, поэтому поглощенная в тканях энергия равна просто произведению числа частиц на среднюю энергию одной частицы. Разделив эту величину на массу тела, получим значение дозы: D = W_погл/ m = NE_ср/m (9). Мощность дозы, соответственно, будет:

P=D/t=NE_ср/mt(10).