1.5. Связь активности и мощности дозы

Связь активности с дозовыми величинами осуществляется через гамма-постоянную радионуклида (К_γ).

Мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, создаваемой фотонами от точечного изотропно излучающего источника с активностью А находящегося в ва­кууме на расстоянии R от источника равна:

Х= (1.24)

Где К_γ -гамма-постоянная радионуклида, Р·см²/(ч·мКи);

R – расстояние от источника до точки измерения, см;

А - активность точечного источника, мКи.

1.6. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Взаимодействие альфа- и бета-излучения с веществом

Взаимодействуя с веществом, ионизирующее излуче­ние передает ему свою энергию. Существуют два меха­низма потери энергии заряженными ионизирующими частицами - ионизационный и радиационный.

Так как размеры атома примерно на четыре порядка больше, чем размеры его ядра, то практически весь объем вещества - это электроны. Проходя через вещество, аль­фа- и бета-частицы взаимодействуют в основном именно с электронами атомов. В результате такого взаимодействия электрон либо покидает свой атом (молекулу, ион) - этот процесс называется ионизацией, либо переходит на более высокий энергетический уровень - этот процесс называ­ется возбуждением.

В результате ионизации из электронейтральной части­цы (атома или молекулы) образуется катион (или сущес­твовавший ион меняет свой заряд) и свободный электрон, который может обладать достаточно большой энергией и точно так же, как бета-частица, производить иониза­цию и возбуждение среды. Такие электроны называют вторичными ионизирующими частицами.

В возбужденном состоянии атом (молекула или ион) об­ладает избытком энергии относительно нормального свое­го состояния. Эта энергия превращается в тепло, электро­магнитное излучение (например, видимый свет), дефекты строения решетки, может инициировать химические пре­вращения и т. д.

Ионизирующее действие излучения характеризуют линейной ионизацией - числом пар ионов, образуемых частицей на единице пути. Линейная ионизация, со­здаваемая альфа-частицами, примерно в 1000 раз боль­ше линейной ионизации бета-частиц той же энергии. Именно поэтому воздействие альфа-частиц на биологи­ческую ткань более опасно, чем воздействие бета- и гам­ма-излучений

В случае радиационно­го механизма потеря энергии обусловлена торможением заряженной частицы в электрическом поле ядер среды вследствие кулоновского взаимодействия. В результате торможения часть кинетической энергии частицы превращается в электромагнитное излучение, которое назы­вают тормозным излучением. Этот путь потери энергии ионизирующих частиц становится заметным у бета-частиц большой энергии. Для мягкого бета-излучения он незна­чителен и почти отсутствует у альфа-излучения.

Доля радиационных потерь энергии, как правило, не­высока, но этот механизм приводит к образованию гораз­до более проникающего излучения, чем собственно бета- излучение, поэтому учет радиационных потерь важен с практической точки зрения. Чем выше энергия бета- частиц, тем больше доля радиационного механизма, и в области высоких энергий эта доля становится суще­ственной. Соотношение потерь энергии по ионизацион­ному и радиационному механизму можно оценить по со­отношению:

,

где Е_β - энергия бета-частицы (в МэВ),

Zср - заряд ядер среды, в которой происходит тормо­жение бета-частицы (в единицах элементарного заряда).

Таким образом, взаимодействие альфа- и бета-частиц с веществом сводится к ионизации и возбуждению струк­турных единиц среды, а в случае бета-частиц высокой энергии - к образованию заметного тормозного излуче­ния. Это излучение имеет непрерывный энергетический спектр.

Возникающие в процессе ионизации вакансии на внут­ренних (К и L) электронных оболочках атомов заполня­ются электронами с вышележащих слоев. Эти электрон­ные переходы порождают электромагнитное излучение, Которое называется характеристическим излучением. Оно, d отличие от тормозного, имеет дискретный спектр и про­является в виде пиков на сплошном спектре тормозного излучения. Свое название характеристическое излучение получило потому, что положение этих пиков (другими словами - энергия фотонов) у каждого элемента индиви­дуально, то есть является его характеристикой, которая используется для анализа.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом

В отличие от альфа-, бета-частиц и нейтронов, которые являются материальными частицами, гамма-кванты представляют собой поток электромагнитного излучения с очень малой длиной волны менее 10^-10 м. При прохождении через вещество гамма-кванты, также, как и заряженные частицы, взаимодействуют с электронами атомов и электрическим полем ядра. В результате этих взаимодействий происхо­дит передача энергии атомам среды и ослабление плотности потока гам­ма -из лучения.

Основными процессами взаимодействия гамма-квантов при прохождении их через вещество являются: фотоэлектрический эффект, комптоновский эффект и эффект образования электронно-позитронных пар. Все три процесса идут одновременно. Вероятность осуществления каждого из этих процессов зависит от энергии гамма-квантов и атомного номера вещества.

Фотоэлектрический эффект - это такое взаимодействие, при котором гамма-квант полностью поглощается атомом вещества, выбивая из него электрон, называемый фотоэлектроном (рис.1.4а).

Рис.1.4. Взаимодействие гамма-излучения с веществом: а- фотоэффект; б- комптоновское рассеяние; в – образование электрон-позитронной пары.

При фотоэффекте энергия гамма-кванта Е_γ расходуется на отрыв электрона Еi и сообщение ему кинетической энергии Ее так, что Е_γ = Е_i +Е_е . Фотоэффект наиболее вероятен для гамм-квантов малых энергий и тяжелых материалов.

Комптоновский эффект - это такое взаимодействие, при котором гамма- квант передает свободному или слабосвязанному электрону в атоме часть своей энергии Ее, остальная часть энергии уносится рассеянным гамма-квантом (рис.1.4б). При этом Еγ = Ее + Еγ¹. Комптон-эффект наиболее вероятен для гамма-излучения малых энергий и легких и средних материалов (у которых Z /А ≈ 0,5).

Эффект образования электронно-позитронных пар состоит в том, что гамма-квант в поле атомного ядра превращается в пару частиц – электрон е^- и позитрон е⁺ . При этом квант передает им полностью свою энергию Еγ и сам перестает существовать (рис. 1.4в) так, что Еγ=1,02+Е_е-+Е_е+ (здесь 1,02 МэВ - энергия покоя электрона и позитрона). Эффект образования пар возможен лишь для гамма-квантов, энергия которых больше Е_γ>1,02 МэВ. Этот эффект имеет место преимущественно для гамма-излучения больших энергий и тяжелых материалов.

Ослабление плотности потока энергии гамма-излучения Iγ за счет перечисленных выше трех эффектов после прохождения слоя вещества толщиной dx оценивается линейным μ или массовым μ_m коэффициентами ослабления излучения.

Линейный коэффициент ослабления

μ = − , (1.25)

характеризует относительное уменьшение плотности потока энергии гам­ма-излучения при прохождений единичного слоя вещества dx=1.

Массовый коэффициент ослабления

(1.26)

характеризует относительное уменьшение плотности потока энергии гам­ма-излучения при прохождении сдоя вещества массой в 1 г сечением в 1 см². (здесь ρ - плотность вещества).

Линейные коэффициенты ослабления μ гамма-излучения в воздухе и различных веществах при разной энергии гамма-квантов приведены в таблице № 1.5.

Таблица № 1.5

Линейный коэффициент ослабления μ (см ^-1) гама-излучения в воздухе и различных веществах при разной энергии гамма-квантов

Еγ, МэВ	Воздух	Вода	Бетон	Алюминий	Железо	Свинец
0,01	61·10-4	4,9	60	69	1300	1400
0,1	1,9·10-4	0,16	0,38	0,42	2,6	60
0,66	1,0·10-4	0,09	0,18	0,19	0,57	1,21
1	0,8·10-4	0,07	0,1	0,16	0,47	0,77
2	0,6·10-4	0,05	0,08	0,12	0,33	0,51
Плотность, г/см3	1,3·10-3	1,0	2,3	2,7	7,9	11,3

Так как ослабление гамма-излученя при прохождении через вещество обусловлено двумя процессами: передачей энергии гамма-квантов электронам атомов вещества и рассеянием гамма-квантов, то полный линейный коэффициент ослабления м. можно представить в виде суммы двух коэффи­циентов:

μ = μ_k + μ_{s (1.27)}

Здесь μ_k - коэффициент передачи энергии характеризует часть энергии гамма-квантов, переданную электронам ве­щества, а μ_{s -} коэффициент рассеяния -характеризует часть энергии, унесенную рассеянными гамма-квантами.

Полный коэффициент ослабления μ (или μ_m ) используется при рас­чётах ослабления в соответствии с экспоненциальным законом:

Iγ = Iγ_о × exp (–μ· d), (1.28)

где I_γо – первоначальная интенсивность гамма- излучения;

I_γ - интенсивность гамма-излучения после прохождения защиты толщиной х = d, см;

Это выражение справедливо для узкого пучка моноэнергетического гамма-излучения на относительно небольшом расстоянии от источника, когда рассеиванием гамма-квантов в воздушной среде можно пренебречь.

На значительном удалении от источника в воздушной среде или при наличии между источником и точкой измерения слоя вещества большой плотности рассеиванием излучения пренебрегать нельзя. В этом случае интенсивность гамма-излучения в точке в точке измерения рассчитывается по формуле:

Iγ = Iγ_о × exp(– µ· d) · В , ( 1.29 )

Где В(Еγ, Z, μx) – фактор накопления.

Фактор накопления показывает, во сколько раз увеличивается интенсивность излучения за счет вклада гамма-квантов, рассеянных в воздушной среде (слое вещества) и поступивших в точку измерения. С увеличением толщины среды распространения или слоя вещества фактор увеличивается. Он всегда больше единицы и зависит от линейного коэффициента ослабления, толщины слоя, атомного номера вещества, энергии гамма-квантов и может быть определен из выражения:

(µ·d) ²

В = 1 + µ·d + ———— , (1.30)

7·Е_γ ^2,4

Численные значения фактора накопления для различных сред и энергий гамма-излучения можно найти в справочной литературе.

Связь интенсивности гамма-излучения с мощностью дозы и дозой

Х = I_γ · μ_kmв · t, (1.31)

где μ_kmв – массовый коэффициент передачи энергии гамма-излучения в воздухе, см² /г;

t – время облучения, с.

Величина Iγ выражена в МэВ/см² ·с, μ_kmв в см²/г следовательно экспозиционная доза будет выражена в единицах Мэв/г, учитывая, что

1 Мэв/г = 6,6 ·10^-6 Р выражение (1.31) приобретает вид:

Х = 6,6 ·10^-6 · I_γ · μ_kmв · t, Р (1.32)

Поглощенная доза связана соответственно с экспозиционной дозой соотношением: μ_kmz

D = C · −−−−−− · Х , (1.33)

μ_kmв