При решении практических задач относительно часто используются следующие характеристики поля ионизирующего излучения:
Поток ионизирующих частиц (фотонов) F — отношение числа ионизирующих частиц dN, проходящих через данную поверхность за интервал временна, к этому интервалу:
F = dN/dt. (4)
Единица потока частиц — имеет размерность обратной секунды (с-1) и равна потоку ионизирующих частиц, при котором через данную поверхность проходит одна частица за 1 с. Аналогично — поток энергии ионизирующих частиц:
Fw=dw/dt, (5)
где, dw — суммарная энергия (исключая энергию покоя) всех ионизирующих частиц, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt.
Единица потока энергии ионизирующих частиц в СИ — джоуль в секунду (Дж/с) или ватт (Вт); внесистемная единица — электрон-вольт в секунду (эВ/с).
Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) Φ — отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения ds этой сферы:
Ф = dN/ds. (6)
Единица флюенса частиц в СИ — м-2. Он равен флюенсу, при котором в сферу с площадью поперечного сечения 1 м2 проникает одна частица. Более предпочтительная единица — см-2. Соответственно флюенс (перенос) энергии ионизирующих частиц Фw
Фw=dw/ds. (7)
Единица флюенса энергии ионизирующих частиц в СИ — Дж/м2, но более предпочтительная на практике единица — МэВ/см2.
Плотность потока ионизирующих частиц φ — отношение потока ионизирующих частиц dF, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения ds этой сферы:
(8)
Единица плотности потока частиц в СИ — с-1·м-2. Более предпочтительная на практике внесистемная единица — с-1·см-2.
Плотность потока энергии ионизирующих частиц (интенсивность ионизирующих частиц) I — отношение потока энергии ионизирующих частиц dFw, проникающего в элементарную сферу, к площади ее центрального сечения ds:
I=dFw/ds. . (9)
Единица интенсивности в СИ — Дж/(с·м2) или (Вт/м2). Более предпочтительная на практике единица — МэВ/(см2·с).
К характеристикам поля излучения можно также отнести энергетический спектр ионизирующих частиц. Источники излучения, испускающие частицы или γ-кванты только одной энергии, называются моноэнергетическими. Таких источников очень немного. Значительно чаще источники испускают частицы или γ-кванты разных энергий. Спектр излучения таких источников может быть сплошным с какой-либо граничной (максимальной) энергией или дискретным.
Дозовые характеристики поля излучения
Ионизация и возбуждения атомов среды — это те эффекты, которые определяют величину воздействия излучения на биологические объекты. Эти эффекты однозначно связаны с поглощенной энергией излучения в веществе. Поэтому основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.
Поглощенная доза ионизирующего излучения D — отношение средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме.
D = dw/dm. (10)
В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж·кг-1), и имеет специальное название — грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения любого вида равная 1 Дж. В практике еще используется внесистемная единица поглощенной дозы — рад. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.
В биологических тканях поглощенная доза распределяется неравномерно (например, по глубине). Для исключения превышения допустимых доз, в качестве тканевых доз принимаются их максимальные значения. Когда говорят "тканевая доза", имеют ввиду поглощенную дозу в мягкой биологической ткани, весовой состав которой принимают следующим, в %: водород — 10,1; углерод — 11,1; азот — 2,6; кислород — 76,2.
Величина поглощенной дозы излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды. При этом биологическое действие одной и той же дозы различных видов излучения не одинаковое.
Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения P — отношение приращения поглощенной дозы dD за интервал времени dt к этому интервалу:
P = dD/dt (11)
В системе СИ единица мощности поглощенной дозы 1 Гр/с = 1 Дж/(с·кг) = 1 Вт/кг. Внесистемная единица мощности поглощенной дозы 1 рад/с.
Как правило, в практической области радиационной безопасности масштабы измеряемых величин D, P таковы, что оказывается более предпочтительно использовать такие дробные единицы измерения: мГр, мГр/с соответственно.
Иногда для исключения некоторых неопределенностей требуется такая характеристика излучения по его воздействию на среду, которая была бы однозначно связана с параметрами поля излучения, например, с плотностью потока энергии. Для этих целей введена специальная величина керма К — отношение суммы первоначальных кинетических энергий dEK всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе в этом объеме:
K = dEK/dm. (12)
Керма 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 (Гр и рад).
Соответственно мощность кермы есть отношение приращения кермы dK за интервал времени dt к этому интервалу времени:
= dK/dt. (13)
Ее единицы измерения соответственно (Гр/с и рад/с).
Исторически первым, в качестве дозовой характеристики поля ионизирующего излучения, было развито понятие экспозиционной дозы. Оно введено для оценки поля фотонного излучения с энергией в диапазоне 1 кэВ — 3 МэВ.
Экспозиционная доза Dэксп — это отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, образованных фотонами в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме:
Dэксп = dQ/dm. (14)
Т.к. эффективные атомные номера воздуха и биологической ткани близки, воздух принято считать тканеэквивалентной средой для фотонного излучения.
Единица экспозиционной дозы в СИ — кулон на килограмм (Кл/кг). Однако, как отмечалось выше, экспозиционную дозу рекомендовано изъять из обращения, и поэтому в дальнейшем, в случае необходимости, эта величина должна приводиться во внесистемных единицах, как это и сложилось на практике,
Рентген — экспозиционная доза фотонного излучения при прохождении которого через 0,001293 г [масса 1 см3 сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях (00C; 0,1013 MПa)] воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Отметим связь единиц:
1P = 2,58·10-4 Кл/кг. (15)
В условиях лучевого равновесия, т.е. такого состояния ионизирующего излучения и среды, когда поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна сумме кинетических энергий ионизирующих частиц в том же объеме, внесистемной единице 1 P соответствует поглощенная доза 0,873 рад в воздухе или 0,95 рад в биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в радах можно считать совпадающими.
Мощность экспозиционной дозы (фотонного излучения) Pэксп — отношение приращения экспозиционной дозы dDэксп за интервал времени dt к этому интервалу времени:
Pэксп = dDэксп/dt· (16)
В СИ единица мощности экспозиционной дозы — ампер на килограмм (А/кг). Внесистемной единицей мощности экспозиционной дозы является (Р/с) — это такая мощность экспозиционной дозы, при которой за 1 с создается экспозиционная доза 1 P. Коэффициент связи между этой единицей и системной единицей тот же, что и для экспозиционной дозы.
Соотношение между системными единицами экспозиционной и поглощенной доз: 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,85 Гр в воздухе или 36,9 Гр в биологической ткани. Тогда как значение экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в радах отличаются во внесистемных единицах всего лишь в 1,14 раза. Соотношение же между системными и внесистемными единицами экспозиционной дозы и мощности дозы не равны целому числу, что затрудняет их совместное использование. Все это может быть причиной многочисленных ошибок. Поэтому и по ряду других причин (в соответствии с принятыми за рубежом рекомендациями) экспозиционная доза подлежит изъятию из употребления. В случае отступления в практике от этой рекомендации, следует указывать значения экспозиционной дозы и ее мощности во внесистемных единицах (P, Р/с или в соответствующих десятичных, дольных и кратных единицах) значения этих величин в единицах СИ (Кл/кг, А/кг и в их десятичных, дольных и кратных единицах) приводить не следует. Все вышесказанное распространяется и на использование гамма-постоянной (постоянной мощности экспозиционной дозы).
Биологический эффект для разных видов ионизирующих излучений не одинаков при прочих равных условиях, в том числе, при одинаковой поглощенной дозе. Оказывается важно не только количество ионов, образованных в единице массы биологической ткани, но и то, как распределены эти ионы по длине пути, т.е. осуществлена линейная плотность ионизации. Ее однозначно характеризует линейная передача энергии (ЛПЭ) излучения, L — отношение полной энергии dE, переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути dl, к длине этого пути:
L =dE/dl (17)
В качестве единицы измерения ЛПЭ используется килоэлектронвольт на микрометр воды, 1 кэВ/мкм: 1 кэВ/мкм = 0,16 нДж/м.
Для оценки радиационной опасности излучения произвольного состава при хроническом облучении человека в малых дозах (в дозах, не превышающих пяти предельно допустимых годовых доз при облучении всего тела человека) вводится понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза ионизирующего излучения H — основная дозиметрическая величина равная произведению поглощенной дозы D на средний коэффициент качества ионизирующего излучения в данном объеме биологической ткани стандартного состава:
H = D ·. (18)
Единицей эквивалентной дозы в СИ является Зиверт (Зв). Зиверт — единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского излучения. Иными словами, Зиверт равен эквивалентной дозе, у которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равен 1 Дж/кг.
