1.3. Поле ионизирующего излучения

Ионизирующие излучения создают в пространстве или среде поле излучения, характеризуемое пространственно - временным распределением излучения в рассматриваемом объеме. То есть «Полем ионизирующего излучения называется распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде».

Для описания полей излучения используется несколько физических величин: поток (флюенс) частиц или квантов, плотность потока (мощность флюенса), поток энергии и плотность потока энергии (интенсивность из­лучения).

Кроме того, поля характеризуют распределением частиц или квантов по их энергиям, угловым распределением, выражаемым значением плотно­сти направленного потока излучения в данной точке под разными углами и компонентным составом излучения.

Для описания процессов взаимодействия ИИ со средой и передачи энергии облучаемому веществу, в том числе, органе или ткани человече­ского тела, используются различные физические величины: доза (погло­щенная), мощность дозы, эквивалентная доза, керма, линейная потеря энергии и т.д.

В зависимости от величины, характеризующей ионизирующее излу­чение, различают поле плотности потока ионизирующих частиц, поле мощности дозы, поле мощности кермы.

Основной величиной, характеризующий поля ИИ является флюенс. (Вместо термина «флюенс» иногда используется менее распространенный термин «перенос»). Различают флюенс частиц и флюенс энергии.

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц − отношение числа ионизи­рующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площа­ди поперечного сечения dS этой сферы:

Ф = dN / dS , [ м ^-2 ] (1.7)

Плотность потока ионизирующих частиц - это отношение флюенса ионизирующих частиц dФ за интервал времени dt к этому интервалу:

φ = dФ/ dt , [ м ^-2 ·с^-1] (1.8)

В некоторых случаях надо знать не поток ионизирующих частиц, а их энергию. В этих случаях используют флюенс энергии ионизирующих частиц или плотность потока энергии ионизирующих частиц.

Флюенс энергии ионизирующих частиц Ф_W - отношение энергии ионизирующего излучения dE, проникающего в элементарную сферу, к площади центрального сечения dS этой сферы:

Ф_W = dЕ/ dS. [ Дж·м ^-2] , [ МэВ/см² ] (1.9)

Плотность потока энергии ионизирующих частиц или интенсив­ность ионизирующих частиц (термин «интенсивность» получил широкое распространение как удобный синоним термина «плотность потока энер­гии») — отношение флюенса энергии ионизирующих частиц dФ_W за ин­тервал времени dt к этому интервалу:

I = dФ_W / dt., [ Вт·м ^-2] , [ МэВ/см²·с ] (1.10)

Для частиц (гамма-квантов) одинаковой энергии можно записать:

I = φ× Е, [ Вт·м ^-2] , [ МэВ/см²·с ] (1.11)

1.4. Дозовые характеристики ионизирующих излучений

Объектом защиты от ИИ является человек. Мерой воздействия ИИ на человека является доза. Дозы могут быть индивидуальными и коллек­тивными.

Различают следующие виды доз: экспозиционная, керма, поглощен­ная, эффективная, эквивалентная.

Экспозиционная доза X - это отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в сухом воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в этом объеме:

X = dQ/dm . (1.12)

Единицы измерения: Кл/кг; рентген. [1Р = 2,58·10^-4 Кл/кг].

Понятием экспозиционной дозы желательно пользоваться для фотон­ного излучения в воздухе, при энергии фотонов до 3 Мэв.

В настоящее время (с 1.01.1990 г.) использование экспозиционной дозы не рекомендуется. Это связано с тем, что экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения, поэтому она не может использо­ваться в полях смешанного излучения разных видов.

Для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излуче­ний всех видов используют понятие «керма» (kerma - аббревиатура от английских слов kinetic energy released in material).

Керма К - это отношение суммы первоначальных кинетических энергий dW_k всех заряженных ионизирующих частиц, образованных под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества к массе dm вещества в этом объеме:

К = dW_k/ dm [грей]. (1.13)

Керма удобна тем, что она применима как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Единицы измере­ния: грей.

1Гр= 1 Дж/кг.

Основной физической величиной, определяющей степень радиа­ционного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излу­чения.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D - это отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

D = dW/dm [грей], (1.14)

т.е. поглощенная доза - это отношение энергии поглощенной веще­ством, к массе этого вещества. Единицы измерения: грей и внесистемная единица – рад.

1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Для разных видов излучения биологический эффект при прочих равных условиях, в том числе и при одинаковой поглощенной дозе, оказы­вается различным. Для сравнения биологических эффектов, производимых одинаковой поглощенной дозой различных видов излучения, используют понятие относительной биологической эффективности излучения (ОБЭ).

Под ОБЭ излучения понимают отношение поглощенной дозы об­разцового рентгеновского излучения, вызывающего определенный биоло­гический эффект, к поглощенной дозе рассматриваемого вида излучения, вызывающего тот же биологический эффект.

Регламентированные значения ОБЭ, установленные для контроля степени радиационной опасности при хроническом облучении, называют коэффициентом качества излучения. В НРБ-99 этот коэффициент по­лучил название «взвешивающий коэффициент для отдельных видов излу­чения при расчете эквивалентной дозы (W_R)»

В задачах радиационной безопасности для оценки биологического действия излучения любого состава используют понятие «эквивалентная доза».

Эквивалентная доза Н_ТR, - это поглощенная доза в органе или тка­ни, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, W_R.

Н_TR = W_R ×D_TR [Зиверт], (1.15)

где D_TR - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т,

а W_R - взвешивающий коэффициент для излучения R.

В системе СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах. Внесистем­ной единицей является 1 бэр. 1 Зв = 100 бэр или 1бэр = 0,01 Зв.

При воздействии различных видов излучения эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для каждого из видов излучения: Н_т = ΣН_TR. [Зиверт], (1.16)

При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Для количе­ственной оценки этого эффекта потребовалось введение понятия коэффи­циента относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффи­циента качества излучения W_R. Для γ-квантов и β-частиц любых энергий W_R = 1. Для нейтронов от 5 до 10, для альфа-частиц- 20.

Разные органы или ткани имеют разные чувствительности к излу­чению. Поэтому в последние годы для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие эффективной дозы.

Эффективная доза Е — сумма произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на взвешивающие коэффициенты для этих органов и тка­ней.

(1.17)

где Нт — эквивалентная доза в органе или ткани Т, а W_T - взвеши­вающий коэффициент для органа или ткани Т. W_T - представляет собой отношение стохастического риска смерти в результате облучения Т-го ор­гана или ткани к риску смерти от равномерного облучения тела при одина­ковых эквивалентных дозах. Таким образом, W_T - определяет весомый вклад данного органа или ткани в риск неблагоприятных последствий для организма при равномерном облучении. Сумма всех коэффициентов W_T ­равна единице. При равномерном облучении всего организма эквивалент­ная доза в каждом органе или ткани одна и та же Н_т = Н, и, следовательно, Е = Н. Эффективная доза используется как мера риска возникновения от­даленных последствий облучения организма человека и отдельных его ор­ганов с учетом их радиочувствительности.

Для определения понятия эффективной эквивалентной дозы необхо­димо ввести понятие "риска возникновения отдаленных последствий об­лучения всего тела человека и отдельных его органов". Риск - это вероят­ность возникновения неблагоприятных последствий для генофонда вслед­ствие облучения. Само понятие вероятности предполагает, что риск свя­зан со стохастическим характером повреждения. Эффективная доза - сум­ма произведений эквивалентной дозы в органе или ткани человека D_эк,T на соответствующий взвешивающий коэффициент W_T для данного органа или ткани:

W_T - взвешивающий фактор, представляющий собой отношение стохастического риска смерти в результате облучения Т-того органа или ткани к риску смерти от равномерного облучения тела при одинаковых эквивалентных дозах. Таким образом, W_T определяет весовой вклад данного органа или ткали в риск неблагоприятных последствий для организма при рав­номерном облучении: Σ W_T = 1. Коэффициент W_T имеет следующие зна­чения: половые железы - 0,2; костный мозг - 0,12; кишечник - 0,12, желу­док 0,12, легкие - 0,12; мочевой пузырь - 0,05, молочные железы - 0,05, печень - 0,05, пищевод — 0,05, щитовидная железа - 0,05; кожа — 0,01; кости - 0,01; остальные органы - 0,05.

Σ W_T =0.2+4×0.12+5×0.05+0.07=1.

Единица измерения эффективной дозы - зиверт.

Эквивалентная и эффективная дозы характеризуют меру ожидаемого эффекта облучения для одного индивидуума, они являются индивидуальными дозами. Для оценки стохастических ожидаемых эффектов облучения групп людей часто используется эффективная коллективная доза.

Эффективная коллективная доза (S) это эффективная доза, полу­ченная группой людей от какого-либо источника радиации. Эффективная коллективная доза является мерой коллективного риска возникновения стохастических (вероятных) эффектов облучения. Она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица измерения эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел-Зв), внесистемная – человеко-бэр (чел-бэр):

S = Σ Е, (1.18)

n - число людей.

Мощность дозы (уровень радиации) - это отношение приращения дозы (К, X, D, Н, Е) за интервал времени dt к величине этого интервала. Мощность экспозиционной дозы: Х = dX/dt, [Р/час] (1.19)

Мощность кермы: К= dK/dt, [Гр/час] (1.20)

Мощность поглощенной дозы D = dD/dt, [Гр/час] (1.21)

Мощность эквивалентной дозы H=dH/dt , [Зв/час] (1.22) Мощность эффективной дозы Ё = dE/dt [Зв/час] , (1.23)

При проведении практических расчетов обычно дозу, вне зависимо­сти от ее вида обозначают буквой D, а мощность дозы обозначают буквой Р.