Дозиметрические величины

14. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

14.1. Поглощённая энергия излучения

Как уже отмечалось, поглощение энергии ионизирующего излучения – первичный процесс, дающий начало физико-химическим преобразованиям в облучаемом веществе, которые приводят к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому представляется естественным сопоставить наблюдаемый радиационный эффект с количеством поглощенной энергии. Рассмотрим детальнее понятие «поглощенная энергия» и его количественное выражение.

Ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом, передает ему свою энергию малыми, но конечными порциями. Переданная энергия реализуется в процессах ионизации, возбуждения, упругих столкновений; часть энергии идет на увеличение массы покоя облучаемого вещества. Статистическая природа излучения, вероятностный характер взаимодействия излучения с веществом приводят к тому, что переданная некоторому объему вещества энергия излучения есть величина стохастическая; это означает, что в одном и том же поле излучения в пределах одного и того же объема вещества за одинаковые интервалы времени наблюдения переданная энергия выступает как случайная величина, характеризующаяся своими законом распределения и средним значением. Говоря о переданной энергии, мы имеем в виду энергию, которая передается в первичных актах взаимодействия излучения с веществом рассматриваемого объема. Не вся переданная энергия обязательно расходуется в пределах данного объема. Только та энергия, которая остается в рассматриваемом объеме, составляет поглощенную энергию излучения.

Как и переданная энергия, поглощенная энергия есть величина стохастическая. При достаточно большом числе актов взаимодействия излучения с веществом отклонения поглощенной энергии от среднего значения могут быть столь малыми, что ими правомерно пренебречь. В обычной дозиметрии (макродозиметрии) пренебрегают флуктуациями поглощенной энергии, оперируя средним значением как нестохастической величиной.

Выделим некоторый объем вещества в среде, находящейся в поле ионизирующего излучения. Рассмотрим самый общий случай, когда поле формируется внешними источниками косвенно и непосредственно ионизирующих частиц, а также внутренними источниками, находящимися в пределах данного объема (например, инкорпорированными радионуклидами).

Обозначим Se₁ сумму кинетической энергии всех непосредственно и косвенно ионизирующих частиц, которые вошли в этот объем, Se₂ – сумму кинетической энергии всех частиц, которые покинули этот объем; внутри данного объема возможны ядерные превращения элементарных частиц; при подобных превращениях возможны как выделение, так и затрата энергии. Суммарную выделившуюся энергию при этих превращениях обозначим SQ₁, а суммарную затраченную на эти превращения энергию — SQ₂. Тогда поглощенная энергия излучения

DЕ = Se₁ – Se₂ + SQ₁ – SQ_2.

Заметим, что Se₁ и Se₂ не включают в себя энергию массы покоя частиц; SQ₂ включает энергию, идущую на увеличение массы покоя вещества, заключенного в рассматриваемом объёме.

Рекомендуемые материалы

Знак суммы в формуле  подчеркивает дискретный характер переноса, выделения и затраты энергии (отдельными частицами в отдельных актах превращений). Мы, однако, условимся рассматривать большое число событий, чтобы оперировать со средними значениями, которые предполагаем непрерывными. Разность (Se₁ – Se₂) представляет собой чистый приток энергии внутрь рассматриваемого объема через его поверхность.

4.2. Линейная передача энергии

Линейная передача энергии (ЛПЭ) заряженных частиц в среде l_D определяется отношением

где dE — средние энергетические потери, обусловленные такими столкновениями на пути dl, при которых переданная энергия меньше заданного значения D.

При прохождении заряженной частицы через вещество она теряет свою энергию в актах упругих и неупругих взаимодействий. В результате часть энергии частицы расходуется на ионизацию и возбуждение атомов среды, а часть — на тормозное излучение. В актах ионизации передается энергия, достаточная для того, чтобы один или несколько орбитальных электронов в атоме покинули его, приобретя некоторую кинетическую энергию. Полезно выделить две различные ситуации:

а) освобожденные в результате ионизации, электроны обладают столь малой кинетической энергией, что не способны сами произвести ионизацию;

б) освобожденные электроны обладают энергией, достаточной для дальнейшей ионизации среды; некоторые из этих электронов могут получить столь большую начальную кинетическую энергию, что способны образовать самостоятельные треки; такие электроны называются d‑частицами. Электроны группы б) могут, однако, обладать такой энергией, которая достаточна лишь для создания всего нескольких пар ионов; в этом случае трудно говорить о самостоятельном треке и правильнее говорить о сгустках небольшого числа ионов, так называемых кластерах. Различие между кластерами и четко выраженными самостоятельными треками d-частиц в значительной степени условно.

Пороговую энергию  обычно относят к энергии d‑электронов. Если в акте столкновения первичная заряженная частица образует d‑электрон с энергией больше D, то эту энергию не включают в значение dE, а d‑электроны с энергией больше D рассматривают как самостоятельные первичные частицы. Значение D как свободного параметра зависит от конкретных условий. Максимальная энергия d-частиц составляет долю энергии первичной частицы, приближенно равную 4m₀M₀/(т₀ + М₀)², где М₀ — масса первичной заряженной частицы, т₀ — масса электрона. Такая оценка справедлива для тяжелых заряженных частиц. Если в качестве первичной частицы выступает электрон, максимальная энергия d-частиц может составлять лишь половину его кинетической энергии в момент столкновения.

Понятие ЛПЭ отличается от понятия тормозной способности вещества, оно не включает энергию, преобразованную в энергию фотонов (радиационные потери), и при заданном значении пороговой энергии D не включает кинетическую энергию таких вторичных частиц, для которых эта энергия больше D.

Если пороговая энергия не ограничена, то ЛПЭ включает энергию всех d‑электронов. Соответствующее значение ЛПЭ обозначают L_¥ или просто L. В частном случае, когда радиационными потерями можно пренебречь, L_¥ совпадает с тормозной способностью.

Линейная передача энергии зависит от кинетической энергии заряженной частицы. Энергия частицы изменяется по мере проникновения ее в глубь вещества; изменяется и значение ЛПЭ. Длина трека частицы однозначно связана с ее энергией, поэтому ЛПЭ можно сопоставить как с кинетической энергией, так и с длиной трека ионизирующих частиц. Если выделить некоторый объем среды, находящейся в поле ионизирующего излучения, то в этот объем будут входить частицы с различными значениями ЛПЭ в зависимости от того, какая часть трека частицы укладывается в этом объеме. Следовательно, можно говорить о распределении длины треков по ЛПЭ.

14.3. Поглощённая доза

Понятие «доза» допускает два толкования:

1) доза — это некоторое количество чего-либо независимо от того, предназначено это количество для передачи чему-либо (кому-либо) или нет;

2) доза — это количество чего-либо, предназначенное для передачи или переданное чему-либо (кому-либо).

Неоднозначность в толковании понятия «доза» приводит к различному пониманию «дозы излучения». В соответствии с первой трактовкой доза излучения является количественной характеристикой (мерой) излучения; в соответствии со второй трактовкой — количественной характеристикой (мерой) результата взаимодействия излучения с веществом. Данное выше определение дозы излучения соответствует именно этому, второму толкованию понятия «доза».

Доза излучения зависит от времени облучения; с течением времени доза накапливается. Изменение дозы в единицу времени называется мощностью дозы. Мощность дозы[1]

P=dD/dt,                                                                              

где dD — изменение дозы за время dt.

Мощность дозы в общем случае является функцией времени — P(t). Если эта функция известна, дозу за некоторый интервал времени от t₁ до t_i можно определить по формуле

Если мощность дозы постоянна во времени, то

D =(t₂– t₁)P.

Доза заряженных моноэнергетических частиц, ЛПЭ которых равна L, определяется формулой

D = FL_m,                                                                         

где Ф — флюенс частиц, a L_m выражено в массовых единицах. Для немоноэнергетического излучения со спектром Ф(Е) доза равна

где Ф(E)dE — флюенс частиц в энергетическом интервале от Е до E+dE.

Подынтегральная функция  представляет собой распределение дозы по энергии частиц

,                                                            

где D(E)dE — часть дозы, обусловленная частицами, кинетическая энергия которых находится в интервале от Е до E+dE. Taким образом, D(E) есть энергетический ненормированный спектр дозы.

Установленная в СИ единица дозы ионизирующего излучения (поглощенная доза) — грей, ее обозначение Гр — по имени английского ученого С. Грея, внесшего большой вклад в становление радиационной дозиметрии. В практике и научной литературе распространена внесистемная единица дозы излучения рад:

1 Гр = 100 рад.

14.4. Экспозиционная доза

Экспозиционная доза — специфическая величина в дозиметрии, введенная для фотонного излучения. Она равна абсолютному значению полного заряда ионов одного знака, которые образуются в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонами в единице массы воздуха. Обозначим экспозиционную дозу X, тогда

X=dQ/dm,                                                                       

где dQ — суммарный заряд всех ионов одного знака, созданных в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонным излучением в массе воздуха dm. Здесь важно понять, что заряд dQ включает заряд всех ионов одного знака, созданных в результате полного использования кинетической энергии электронов и позитронов в воздухе независимо от места образования этих ионов; имеется в виду, что эти ионы созданы только теми электронами и позитронами, которые воз никли в массе воздуха dm.

Установленная в СИ единица экспозиционной дозы — кулон на килограмм, Кл/кг. Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в воздухе массой 1 кг, производят ионы, несущие электрический заряд 1 Кл каждого знака. В практике и научной литературе распространена внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген.

1 Р = 2,58´10^–4 Кл/кг (точно); 1 Кл/кг=3,88´10³ Р (приблизительно).

14.5. Эквивалентная доза. Взвешивающие коэффициенты (W_R)

Уже отмечалось, что результат воздействия излучения на объект определяется не только поглощенной энергией, но и характером распределения этой энергии в облучаемом объекте, распределением облучения во времени, видом излучения и другими факторами, значимость которых различна в зависимости от условий облучения и рода измеряемого радиационного эффекта. В частности, биологический эффект облучения при прочих равных условиях различен для разных видов излучения. Возникает вопрос — почему? Не заложена ли причина в самой природе ионизирующих частиц, которая может быть различна для разных видов излучения? Наши сведения о взаимодействии излучений с веществом свидетельствуют о том, что в некоторых случаях природа частиц действительно определяет способ диссипации переданной энергии. Например, нейтроны, взаимодействуя с кристаллической решеткой, способны произвести смещение атомов в решетке и нарушить ее структуру, в то время как g-кванты умеренных энергий могут лишь ионизовать атомы. Однако применительно к биологическому действию различие в физической природе частиц не является главным фактором различия радиационных эффектов. Более того, даже частицы одной природы, но разных энергий могут вызывать неодинаковый эффект при одной и той же поглощенной дозе. Принято, что излучения с одинаковыми взвешивающими коэффициентами при равных дозах и одинаковых условиях облучения приводят к одинаковому биологическому эффекту с точки зрения радиационной опасности.

Произведение поглощенной дозы D на взвешивающий коэффициент ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани стандартного состава образует эквивалентную дозу ионизирующего излучения. В СИ установлена единица эквивалентной дозы зиверт, Зв — по имени шведского ученого Р. Зиверта — первого председателя МКРЗ, созданной в 1928 г. Один зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на взвешивающий коэффициент равно 1 Дж/кг. Зиверт связан с внесистемной единицей эквивалентной дозы бэр следующим соотношением:

1 Зв=100 бэр.

14.6. Эффективная коллективная доза

Эквивалентная доза устанавливает соответствие между поглощенной дозой излучения и ожидаемым биологическим эффектом для данного человека; другими словами, она является мерой биологического действия индивидуальной дозы, полученной конкретными лицами. Следовательно, и ожидаемые биологические последствия связаны с конкретными лицами. Однако в случае облучения больших групп людей полезно давать оценку суммарного ожидаемого эффекта.

Широкое применение атомной энергии предопределяет, что некоторая часть населения профессионально связана с источниками ионизирующих излучений. Для нее установлены нормы предельных уровней облучения, которые гарантируют полную безопасность здоровья каждого работника. Современная противорадиационная защита обеспечивает не превышение этих уровней. Наряду с профессиональным облучением следует учитывать облучение больших групп людей и всего населения, как от природных источников, так и от источников, созданных человеком. Примером может служить медицинское облучение. Добавка к естественному радиационному фону, обусловленная деятельностью людей, невелика, и практически важно учитывать влияние малого уровня облучения на большие группы населения. При облучении малыми дозами, незначительно превышающими естественный радиационный фон, можно ожидать лишь отдаленных последствий генетической или соматической природы; соматические эффекты проявляются непосредственно у облученных лиц, генетические — в последующих поколениях.

Особенность отдаленных последствий облучения заключается в том, что они носят стохастический характер и могут быть обнаружены лишь статистическими методами на популяционном уровне. Размер последствий облучения в этом случае определяется не только индивидуальной дозой, но и числом облученных лиц. Эффективная коллективная доза может быть отнесена к любому числу облучаемых лиц. В предельном случае, когда рассматривается один человек, коллективная доза равна индивидуальной; в другом предельном случае, когда рассматриваются целые популяции вплоть до всего населения земного шара, коллективную дозу называют популяционной.

3.7. Величины зонного мониторинга

Шаровой фантом МКРЕ. В 1994 г. МКРЕ ввела новые величины для измерения полей. Их определение опирается на использование шарового фантома МКРЕ, представляющего собой шар диаметром 30 см из тканеэквивалентного материала плотностью 1 г/см³ с массовым составом 76,2 % кислорода, 11,1 % углерода, 10,1 % водорода и 2,6 % азота. Этот фантом является хорошим приближением человеческого тела с точки зрения рассеяния и ослабления ионизирующего излучения.

Расширенное поле излучения (expanded radiation field) представляет собой поле излучения, в котором спектральное и угловое распределение флюенса одинаково во всех точках достаточно большого объёма и такое же, как и в реальном поле в представляющей интерес точке.

Сильнопроникающее излучение. Излучение рассматривается как сильно проникающее, если эквивалентная доза, получаемая наиболее чувствительным слоем кожи (согласованная глубина 0,07 мм) при нормальном падении широкого пучка, в 10 раз ниже, чем эффективная доза.

Слабопроникающее излучение. Излучение рассматривается как слабопроникающее, если при нормальном падении излучения эквивалентная доза, получаемая кожей, в 10 раз выше, чем эффективная доза.

Направленная эквивалентная доза Н¢(0,07; ). Введена операционная величина для зонного мониторинга слабо проникающего излучения, получившая название направленная эквивалентная доза Н¢(0,07; ) (directional dose equivalent) в заданной точке реального поля. Она представляет собой эквивалентную дозу, которая образовалась бы соответствующим расширенным полем излучения в шаровом фантоме MKPE на глубине d = 0,07 мм по радиусу в заданном направлении , т.е. ориентированному навстречу полю. Для краткости Н¢(0,07; ) часто обозначают Н¢(0,07).

Рекомендуем посмотреть лекцию "7 Основные этапы разработки программ".

Амбиентная эквивалентная доза Н*(10). Введена операционная величина для зонного мониторинга сильнопроникающего излучения — амбиентная эквивалентная доза (ambient equivalent dose), H*(10), в заданной точке реального поля излучения. Так называют эквивалентную дозу, которая образовалась бы соответствующим спрямлённым и расширенным полем излучения в шаровом фантоме MKPE на глубине d = 10 мм по радиусу-вектору, противоположному направлению спрямлённого поля представляет собой консервативную оценку эффективной дозы. Обе вышеприведенные величины используются для мониторинга окружающей среды и мониторинга в зонах. Две следующие величины используются для индивидуального мониторинга.

Индивидуальная эквивалентная доза (поверхностная), Н_s(0.07). Индивидуальная эквивалентная доза (поверхностная) (individual equivalent dose superficial), Н_s(0.07), представляет собой операционную величину для индивидуальной дозиметрии слабопроникающего излучения. Она определяется как эквивалентная доза в МКРЕ мягкой ткани на глубине d = 0,07 мм в теле в месте ношения индивидуального дозиметра.

 Индивидуальная эквивалентная доза (проникающая), Н_p(0.07) (individual equivalent dose penetrating), Н_p(10), представляет собой операционную величину для индивидуальной дозиметрии слабопроникающего излучения. Она определяется как эквивалентная доза в МКРЕ мягкой ткани на глубине d = 10 мм в теле в месте ношения индивидуального дозиметра.

Все четыре приведенные выше величины измеряются в зивертах (Зв).

[1] В РД 50-454-84 рекомендуется изменение дозиметрических величин в единицу времени обозначать как производную по времени с помощью точки. Например, мощность дозы . В учебнике принято распространенное обозначение буквой Р.