Характеристики поглощения энергии излучения веществом.

Передача энергии излучением. Характеристикой взаимодействия косвенно ионизирующего излучения с веществом является сумма начальных кинетических энергии всех заряженных ионизирующих частиц, высвобожденных незаряженными ионизирующими частицами в веществе - E_tr. Индекс tr (сокращение английского transferred from - переданный от кого-либо, или от чего-либо) указывает, что высвобождение этих частиц является следствием передачи энергии от излучения веществу, а результатом является потеря энергии излучения.

Отношение средней доли энергии  косвенно ионизирующего излучения с энергией Е, которая преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц при прохождении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути является величиной линейного коэффициента передачи энергии излучения

                                     (7)

Здесь означает среднюю величину начальной энергии заряженных частиц, высвобождаемых на элементарном пути dl. Единица линейного коэффициента передачи энергии косвенно ионизирующего излучения - 1/м.

Величину линейного коэффициента передачи энергии определяет сечение взаимодействия косвенно ионизирующего излучения с веществом. Например, для нейтронов с энергией Е

                     (8)

где N_a - число Авогадро; p_k - массовая доля k-го нуклида с массовым числом М_k в составе вещества; σ_k(Е) - полное сечение взаимодействия нейтронов с k-м нуклидом; - полная средняя кинетическая энергия заряженных частиц, испускаемых в акте взаимодействия нейтрона с ядрами k-го нуклида; Е - энергия нейтрона.

Характеристикой взаимодействия заряженных частиц с веществом является энергия излучения, переданная веществу во взаимодействиях, приводящих к ионизации и возбуждению атомов и молекул - ε. Отношение  - средней энергии, потерянной заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути dl - к длине этого пути является величиной полной линейной передачи энергии L

                                            (9)

Здесь  означает полную среднюю энергию, потерянную заряженной частицей во всех столкновениях с электронами и поглощенную веществом. Для обозначения полной линейной передачи энергии используется аббревиатура ЛПЭ. Единица ЛПЭ - Дж/м. В качестве специальной единицы используют электронвольт на микрометр (эВ/мкм) воды. При этом имеет место соотношение 1 эВ/мкм ≈ 0,16 пДж/м.

Легкие заряженные частицы - электроны и позитроны - являются излучением с низким ЛПЭ. Тяжелые заряженные частицы - протоны, альфа-частицы, ядра отдачи и др. являются излучением с высокой ЛПЭ. Величина ЛПЭ не применяется для количественной характеристики взаимодействия косвенно ионизирующего излучения с веществом. Тем не менее, качественно фотоны характеризуют как излучение с низкой ЛПЭ, поскольку взаимодействие фотонов с атомами среды приводит к передаче энергии электронам и позитронам, которые затем ионизируют вещество. Аналогично, нейтроны характеризуют как излучение с высоким ЛПЭ, поскольку их взаимодействие с атомами приводит в основном к передаче энергии протонам отдачи, альфа-частицам и ядрам атомов, которые затем ионизируют вещество.

Керма.

Величиной, отражающей взаимодействие поля косвенно ионизирующего излучения с веществом, является керма (русская транслитерация английской аббревиатуры термина kinetic energy released in material (kerma)). Она определяется как отношение среднего значения суммы начальных кинетических энергий всех заряженных ионизирующих частиц (электронов, позитронов, протонов альфа-частиц и др.), образовавшихся под действием ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе вещества в этом объеме [29]:

                                                   (10)

Здесь  - полная средняя кинетическая энергия заряженных частиц, высвобождаемых в элементарном объеме; dm - масса этого объема. Единица кермы - Дж/кг называется Грей, Гр (по имени английского физика Л. Грея). Принимая во внимание соотношение (7), получаем

                               (11)

где Ф_Е - распределение флюенса косвенно ионизирующего излучения по энергии; μ_tr(E) - линейный коэффициент передачи энергии косвенно ионизирующего излучения; ρ - плотность облучаемого вещества.

Не смотря на то, что керма определяется, как правило, для косвенно ионизирующего излучения, можно распространить понятие кермы и на непосредственно ионизирующее излучение. В этом случае, без учета ядерных взаимодействий частиц прямо ионизирующего излучения

                     (12)

Здесь  отражает среднюю энергию, теряемую заряженной частицей на ионизацию и возбуждение в объеме dm; Ф_L - распределение флюенса заряженных частиц по ЛПЭ; L - ЛПЭ заряженных частиц и Ф_Е - распределение флюенса заряженных частиц по энергии.

Значение кермы излучения в некоторой точке облучаемого вещества зависит только от свойств излучения и свойств облучаемой среды непосредственно в рассматриваемой точке. Керма не зависит от свойств среды, в которой распространяется излучение. Она не зависит также и от направленности поля излучения. Например, значения кермы фотонов в элементе биологической ткани, окруженном вакуумом или водой, будут равны, если флюенс и энергия фотонов, взаимодействующих с этой тканью, в обоих случаях будут равными.

Экспозиционная доза.

Первой количественной мерой ионизирующего излучения была определена^[1] единица экспозиционной дозы. Экспозиционная доза характеризует излучение, падающее на объект, и является величиной, отражающей взаимодействие поля фотонного излучения с воздухом. Она пропорциональна энергии фотонного излучения, затраченной на ионизацию молекул воздуха и равна отношению средней величины суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме dm, полностью остановились в воздухе, к массе этого объема dm:

                                          (13)

Единица экспозиционной дозы - Кл/кг. Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген ^[2] (Р), 1 Р = 2,58∙10^-4 Кл/кг и соответствует образованию 2,08∙10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха. Поскольку средняя энергия ионизации воздуха 33,85 эВ, энергетический эквивалент кулона на килограмм равен 1Кл/кг = 33,85 Дж/кг воздуха. Экспозиционная доза является аналогом кермы фотонов в воздухе. Используя значение энергетического эквивалента кулона на килограмм, можно установить соотношение между кермой в воздухе и экспозиционной дозой: в одной и той же точке поля фотонного излучения в воздухе: при экспозиционной дозе 1 Р значение кермы в воздухе будет равно примерно 8,8∙10^-3 Гр.

Концепция дозы излучения.

Концепция дозы ионизирующего излучения заключается в том, что эффекты излучения связаны с энергией, поглощенной в единице массы биологической ткани в форме ионизаций и возбуждений атомов и молекул, и модифицированной качеством излучения, которое зависит от микроскопического пространственного распределения энергии, переданной излучением веществу. Воздействие излучения может быть модифицировано и другими факторами, например, темпом поглощения энергии, степенью снабжения облученной ткани кислородом и другими факторами, влияющими на радиочувствительность облучаемой ткани.

Энергия, переданная излучением ограниченному объему вещества, равна разности между суммарной кинетической энергией всех заряженных и незаряженных частиц и квантов, входящих в рассматриваемый объем, и суммарной кинетической энергией всех заряженных и незаряженных частиц и квантов, выходящих из этого объема

                                (14)

где R_in - энергия поля излучения, входящая в рассматриваемый объем (без учета энергии покоя); R_out - энергия поля излучения, выходящая из рассматриваемого объема (без учета энергии покоя); ∑ Q - изменение энергии покоя ядер или частиц, которые произошли в объеме. Индекс im (сокращение английского imparted to - переданный кому-либо или чему-либо) указывает, что рассматривается только та часть энергии излучения, переданной веществу, которая была поглощена в рассматриваемом объеме вещества.

Энергия, поглощенная в единице массы биологической ткани в форме ионизаций и возбуждений атомов и молекул, получила название поглощенной дозы. Она является величиной, характеризующей воздействие ионизирующего излучения на вещество и отражает изменение состояния элементарного объема вещества под действием излучения. Она равна отношению средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме к массе dm вещества в этом объеме

                                                   (15)

Единица поглощенной дозы Дж/кг носит специальное наименование грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад (русская транслитерация английской аббревиатуры термина radiation adsorbed dose (rad)) равна 0,01 Гр.

Производная дозы по времени называется мощностью поглощенной дозы:

                                        (16)

Единица мощности поглощенной дозы - Дж/(кгс). На практике используется единица Гр/с. 1 Гр/с = 1 Дж/(кг∙с). Рекомендуется использовать также дольные единицы - мкГр/с, мГр/ч и др. Мощность дозы характеризует среднюю скорость изменения дозы в течение промежутка времени dt, поэтому длительность этого промежутка должна быть достаточно малой, чтобы различия между средним и мгновенным значением мощности дозы в этом промежутке были невелики. В качестве такого промежутка принимают секунду, минуту или час и значение мощности дозы выражают в единицах Гр/с, Гр/мин, Гр/ч. Величина мощности дозы не используется для представления изменения дозы за большие промежутки времени. В этом случае говорят о приращении дозы за определенное время - сутки, месяц, год. Такое приращение называют суточной, месячной или годовой дозой и выражают в единицах Гр в сут., Гр в мес, Гр в год соответственно.

Определенная таким образом величина поглощенной дозы характеризует изменение состояния элементарного объема вещества, расположенного в окрестности некоторой точки облучаемой ткани. Ее называют "поглощенная доза в точке". Значение поглощенной дозы в точке зависит не только от свойств излучения и свойств облучаемой ткани непосредственно в рассматриваемой точке, а также и от свойств среды, в которой распространяется излучение. Она зависит также и от направленности радиационного поля. Например, значения поглощенной дозы фотонов в элементе биологической ткани, окруженном вакуумом или водой, будут неравны, даже если направление распространения, флюенс и энергия фотонов, взаимодействующих с этой тканью, в обоих случаях будут равными.

В одной и той же точке вещества поглощенная доза и керма равны, когда энергия излучения, переданная веществу, и энергия излучения, поглощенная веществом, равны. Это требование выполняется в условиях электронного равновесия [29].

Сводка базовых дозиметрических величин приведена в таблице 2. Эти величины адекватно введены в практику обеспечения радиационной безопасности в Российской Федерации [31, 39, 43].

 

Таблица 2. Базовые дозиметрические величины

Название	Обозначение	Определение	Рекомендуемая единица
Коэффициент передачи энергии линейный		Отношение доли энергии  косвенно ионизирующего излучения (исключая энергию покоя частиц), которая преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц при прохождении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути:	см-1
Коэффициент передачи энергии массовый		Отношение линейного коэффициента передачи энергии  к плотности вещества , через которое проходит косвенно ионизирующее излучение:	см2/г
Керма	К	Отношение  суммы начальных кинетических энергий всех заряженных ионизирующих частиц, высвобожденных незаряженными ионизирующими частицами в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:	нГр; мкГр; мГр; Гр; кГр; МГр
Мощность кермы		Отношение приращения кермы dK за интервал времени dt к этому интервалу времени:	Гр/мин; мГр/с; мкГр/с
Доза экспозиционная фотонного излучения		Отношение средней величины суммарного заряда  всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме:	Р
Мощность дозы экспозиционной		Отношение приращения экспозиционной дозы dX за интервал времени dt к этому интервалу времени:	Р/мин; мР/с
Энергия излучения, переданная мишени		Разность между суммарной кинетической энергией всех заряженных и незаряженных частиц и квантов, входящих в рассматриваемый объем, и суммарной кинетической энергией всех заряженных и незаряженных частиц и квантов, выходящих из этого объема:  где Rin - энергия поля излучения, входящая в рассматриваемый объем (без учета энергии покоя); Rout - энергия поля излучения, выходящая из рассматриваемого объема (без учета энергии покоя); ∑Q - изменение энергии покоя ядер или частиц, которые происходят в объеме	эВ; кэВ; МэВ; ГэВ
Доза поглощенная в точке	D	Отношение средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:	нГр; мкГр; мГр; Гр; кГр
Мощность дозы поглощенной		Отношение приращения поглощенной дозы dD за интервал времени dt к этому интервалу времени:	Гр/мин; мГр/с; Гр/с