Расчеты доз и мощностей доз ионизирующих излучений

Физические характеристики ионизирующего излучения. Прежде всего, дадим определения некоторых важных понятий, поскольку в дозиметрии они несколько отличаются от общепринятых:

• — вещество радиоактивное — вещество в любом агрегатном состоянии, содержащее радионуклиды с активностью, на которые распространяются требования норм радиационной безопасности;
• — активность радиоактивного вещества — это количество атомных ядер, распадающихся за одну секунду, или число актов распада в секунду (скорость радиоактивного распада);
• — беккерель (Бк) — стандартная международная единица радиоактивности, равная одному распаду за секунду. Данное количество радиоактивных атомов имеет активность 1 Бк, если в секунду распадается одно ядро. Каждое ядерное превращение сопровождается эмиссией ионизирующего излучения, 1 Бк=1 расп/с;
• — кюри (Ки) — традиционная (внесистемная) единица измерения радиоактивности, равная радиоактивности одного грамма чистого радия. Она эквивалентна 37 млрд распадов в секунду (37 млрд Бк). Следовательно, 1 Бк равен примерно 27 пикокюри;
• — активность удельная (объемная) — отношение активности, А радионуклидов вещества к его массе, кг (объем}', м³). Единица удельной активности — беккерель на килограмм, Бк/кг (твердые вещества), Бк/л (жидкости) или Бк/м³ (газы);
• — активность эквивалентная равновесная объемная (ЭРОА) дочерних продуктов изотопов радона (²²⁰Rn и ²²²Rn) — взвешенная сумма объемных активностей короткоживущих дочерних изотопов радона: ²¹⁸Ро (RaA); ²¹⁴РЬ (RaB); ²¹⁴Bi (RaC); ²i²Pb (ThB); ²¹²Bi (ThC):

где А, — объемные активности дочерних изотопов радона;

• — доза излучения — анергия ионизирующего излучения (потоков частиц и квантов), поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу его массы. Является мерой радиационного воздействия;
• — Грей (Гр) — международная единица поглощенной дозы. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг;
• — 1 Кл/кг — единица экспозиционной дозы в системе СИ. Специального названия не имеет. Это такое количество гаммаили рентгеновского излучения, которое в 1 кг сухого воздуха образует 6,24 • 10¹⁸ пар ионов, которые несут заряд в 1 кулон каждого знака. Физический эквивалент 1 Кл/кг = 33 Дж/кг (для воздуха). Соотношения между рентгеном и Кл/кг следующие: 1 р = 2,58 • КИ Ют/кг, 1 Кл/кг = 3880 р.

Потоковые характеристики поля ионизирующего излучения. Феномен ионизирующих излучений можно охарактеризовать следующими понятиями:

• • ионизация — это процесс превращения нейтральных атомов и молекул среды в положительные и отрицательные ионы. К ионам относятся и свободные электроны. Наименьшая энергия ионизации для большинства атомов составляет 5—20 эВ (1 эВ = 1,6 • 10~¹⁹ Дж);
• • ионизирующее излучение — любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков (ионов). Ионизирующие излучения способны прямо или косвенно ионизировать среду;
• • непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц (аи p-частиц, протонов, мезонов и др.), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества;
• • косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц (нейтронов) или фотонного (рентгеновского и гамма) излучения, взаимодействие которых со средой приводит к возникновению непосредственно ионизирующего излучения. В частности, быстрые нейтроны образуют в веществе протоны отдачи, фотонное излучение создает вторичные частицы — электроны и позитроны.

Ионизирующее излучение (корпускулярное или фотонное), состоящее из частиц одного вида и одинаковой энергии, называется моноэнергетическим. Излучение, состоящее из частиц одного вида, но обладающих различной энергией, называется немоноэнергетическим (таковым является (3-излучение, тормозное рентгеновское излучение и др.). Если излучение состоит из частиц различного вида, его называют смешанным;

• полем ионизирующего излучения называют область пространства, в каждой точке которой имеются физические величины, являющиеся характеристиками поля излучения. Характеристики поля определяют пространственно-временное распределение излучения в рассматриваемой среде. Дифференциальные характеристики ноля описывают также энергетическое и угловое распределения излучения. На практике часто используют интегральные потоковые характеристики поля излучения, такие как флюенс частиц, поток частиц, плотность потока частиц, флюенс энергии, интенсивность излучения.

С целью разъяснения последующих понятий мысленно образуем вокруг заданной точки пространства сферу произвольного радиуса. Произвольный телесный угол образует на сфере сегмент площадью AS. Предположим, что из заданной точки в объем этой сферы проникает AN частиц любой энергии и в любом направлении. Уменьшая радиус сферы, перейдем в пределе при т —> 0 к бесконечно малым величинам dN и dS;

• флюенс частиц — это отношение числа частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

Единицей измерения флюенса частиц в системе единиц СИ является м^-2. Обычно флюенс выражают в частиц/м² или частиц/см², указывая вид излучения;

• поток частиц — отношение числа частиц dN, падающих на данное сечение сферы за малое время dt, к этому интервалу времени:

Поток частиц измеряется в с^-1 или частиц/с;

• плотность потока частиц — отношение флюенса частиц с!Ф за малый промежуток времени dt к этому промежутку времени:

Для мононаправленного излучения плотность потока равна числу частиц, пересекающих в единицу времени площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно направлению распространения излучения. Единица измерения плотности потока частиц в СИ: м"² • с^-1. Обычно величину ф выражают в частиц / (см² • с). Если в каждой точке поля плотность потока нс изменяется во времени (стационарное поле излучения), то Ф=Ф-*;

• интенсивность излучения (плотность потока энергии) — суммарная энергия частиц, проходящих через единичное сечение (площадку) в единицу времени. Для моноэнергетического излучения с энергией каждой частицы Е интенсивность J — Ф*?. Если излучение немоиоэнергетическое:

Единицей интенсивности излучения в СИ является Вт/м². Наряду с этой единицей часто используются также 1 МэВДсм² • с).

Виды физических доз ионизирующих излучений. Воздействие ионизирующих излучений на вещество представляет собой сложный процесс. Поглощенная энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, радиационной чувствительности облучаемого объекта и его компонентов (например, водного раствора и осадка). Сама по себе доза излучения зависит от вида излучения (нейтроны, у-кванты и т. д.), плотности его потока, энергии его частиц, состава вещества и его структуры. В процессе облучения доза со временем накапливается.

Зависимость величины дозы от энергии частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества различна для разных видов излучения. Например, для рентгеновского и у-излучений доза зависит от атомного номера Z элементов, входящих в состав вещества; характер этой зависимости определяется энергией фотонов. Для этих видов излучений доза в тяжелых веществах больше, чем в легких.

У нейтронного излучения закономерности иные. Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, характер этого взаимодействия существенно зависит от энергии нейтронов. Если происходят упругие соударения нейтронов с ядрами, то средняя величина энергии, переданной ядру в одном акте взаимодействия, оказывается большей для легких ядер. В этом случае поглощенная доза в легком веществе будет выше, чем в тяжелом.

Для характеристики дозового поля, возникающего в воздушной среде, окружающей источник излучения, используется понятие экспозиционной дозы:

• экспозиционная доза — количественная характеристика гаммаи рентгеновского излучения, основанная на их ионизирующем действии в воздухе. Численно равна отношению полного заряда dq всех ионов одного знака, создаваемых в воздухе, к массе воздуха в этом объеме.

Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на 1 кг воздуха. Внесистемной единицей экспозиционной дозы является рентген, Р, при котором суммарный заряд dq, образующийся в воздухе, равен одной электростатической единице количества электричества в 0,1 293 г атмосферного воздуха при 0 °C и давлении 760 мм рт. ст. При переходе к СИ экспозиционная доза стала не совсем удобной единицей дозы и поэтому изъята из арсенала дозиметрических величин.

Экспозиционная доза определяет энергетические возможности ионизирующего излучения. Это понятие введено для оценки ноля фотонного (гаммаи рентгеновского) излучения с энергией в диапазоне 1 кэВ — 3 МэВ. Так как эффективные атомные номера воздуха и биологической ткани близки, воздух принято считать тканеэквивалентной средой для фотонного излучения.

Взаимодействие излучения с веществом состоит из двух стадий: преобразование энергии и поглощение энергии. Этим стадиями соответствуют две группы дозиметрических величин.

Понятие преобразование энергии относят к процессу передачи энергии от ионизирующих частиц к вторичным ионизирующим частицам. Термин керма относят к кинетической энергии заряженных частиц, высвобожденных незаряженными частицами. Энергия, затрачиваемая на энергию связи, обычно мала и определением не учитывается. В дополнение к керме вводится величина сема, которая определяет потерю энергии заряженными частицами в столкновениях с электронами атома.

В потерю энергии входит и работа, совершаемая на преодоление связи электронов. Сема отличается от кермы тем, что учитывает потерю энергии в столкновениях с атомными электронами входящих (в рассматриваемую массу вещества) заряженных частиц, в то время как керма учитывает переданную энергию, уносимую выходящими заряженными частицами из рассматриваемой массы.

Таким образом, керма К = dEj/dm — это мера поглощенной дозы косвенно ионизирующих излучений (KERMA — аббревиатура фразы Kinetic Energy Released Per Unit Mass, т. е. выделение кинетической энергии на единицу массы). Керма представляет собой сумму первоначальных кинетических энергий dE_k всех заряженных частиц, появившихся в элементарном объеме вещества в результате воздействия на него косвенно ионизирующих излучений^[1], отнесенную к массе вещества в этом объеме dm. Единицей кермы в системе СИ является дж/кг или Грей.

Потеря энергии dE_k включает не только кинетическую энергию частиц, образовавшихся в результате столкновений, но также энергию, которую заряженные частицы теряют в виде тормозного излучения, a dm должно быть настолько мало, чтобы оно заметно не влияло на радиационное поле.

Керма является характеристикой излучения по его воздействию на среду, однозначно связанной с параметрами поля излучения, например, с плотностью потока энергии. Она применима как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Керму измеряют в тех же единицах, что и поглощенную дозу, т. е. в Гр. Применительно к у-излучению в условиях электронного равновесия (равновесие в среде между входящими в dm заряженными частицами и выходящими из него) керма совпадает с дозой излучения, если можно пренебречь потерей энергии заряженных частиц (электронов и позитронов) на тормозное излучение. При этих условиях керма является энергетическим эквивалентом экспозиционной дозы.

В общем случае керма отличается от поглощенной дозы. При низких энергиях первичного излучения керма примерно равна поглощенной дозе, тогда как при высоких энергиях она намного ее превосходит, поскольку часть энергии уносится из поглощающего объема в форме рентгеновского тормозного излучения или быстрых электронов.

Для у-излучения керма выражает отношение суммарной кинетической энергии электронов и позитронов, образовавшихся под действием у-квантов в некотором объеме вещества, к массе вещества в этом объеме.

Постоянная мощности воздушной кермы радионуклида (керма-постоянная) Г5 — отношение мощности воздушной кермы, создаваемой фотонами с энергией больше заданного порогового значения 8 от точечного источника изотропно-излучающего источника данного радионуклида, находящегося в вакууме на расстоянии гот источника, умноженной на квадрат этого расстояния, к активности, а источника. Керма-постоянная измеряется в единицах Гр • м²/(с • Бк).

• [1] Косвенным ионизирующим излучением называется поток незаряженных частиц (нейтронов) и фотонное (гаммаи рентгеновское) излучение.