1.1. Физические величины

Экспозиционная доза (Х)

Ионизация среды под воздействием рентгеновского и гамма-излучений явилась первым физическим эффектом, который сопоставляли с биологическим действием излучения. Мерой ионизационного действия фотонного излучения, определяемой по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия, является экспозиционная доза. Непосредственно измеряемой физической величиной при определении экспозиционной дозы фотонного излучения является общий электрический заряд электронов, образованных в воздухе за время облучения.

Экспозиционная доза Х – количественная характеристика фотонного излучения , которая основана на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и представляет собой отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха dm, полностью поглотились в воздухе, к массе этого воздуха в указанном объеме dm:

Единица экспозиционной дозы - один кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р). Один Р соответствует 2,08·10⁹ пар ионов/см³ в сухом воздухе при нормальном давлении. На образование одной ионной пары затрачивается при взаимодействии гамма-излучения с атомами воздуха 34 эВ.

Значение экспозиционной дозы может быть получено прямыми измерениями воздухоэквивалентными дозиметрами, косвенными измерениями дозиметрами других типов или в результате расчета.

Пример 1. В воздухе, на высоте уровня моря образуется 2,1 пары ионов в 1 см³ в секунду. Чему равна годовая экспозиционная доза. ?

Решение. Так как один ренген эквивалентен 2,08·10⁹ пар ионов в одном см³ воздуха, то экспозиционная доза Х за год будет равна:

Ответ: 32 мР/год

Доза поглощенная (D).

Фундаментальной величиной в дозиметрии является поглощенная доза.

Доза поглощенная (D) –величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу

, (1.1)

где de - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме;

dm - масса вещества в этом объеме.

В современной системе нормирования за основу принимается доза в органе или ткани (D_T) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела

где m_T – масса органа или ткани, а D_Т – поглощенная доза в элементе массы dm.

Энергия может быть усреднена по элементарному объему и будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж·кг^-1), и имеет специальное название - грей (Гр). Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр. Мощность дозы – это доза излучения за единицу времени (секунду, минуту, час).

Таблица 1.1

Соотношения между единицами СИ и внесистемными единицами дозиметрических величин

Величина и ее символ	Название и обозначение единиц		Связь между единицами
	Единица СИ	Внесистемная единица
Активность, А	Беккерель (Бк),	Кюри (Ки)	1 Ки = 3,7·1010 Бк;
Поглощенная доза D	Грэй (Гр)	Рад (рад) 1 рад=100 эрг/г	1 Гр=100 рад 1 рад=10-2 Гр
Эквивалентная доза Н	Зиверт (Зв),	бэр	1 Зв=100 бэр
Экспозиционная доза Х	Кулон на кг(Кл/кг),	Рентген (Р)	1 Р=2,58·10-4 Кл/кг(точно)
Керма** К	Грей (Гр),	Рад=100 эрг/г	1 Гр=100 рад
Амбиентный эквивалент дозы *** Н*(d)	Зиверт (Зв)	Бэр	1Зв=100 бэр
Индивидуальный эквивалент дозы*** (d)	Зиверт (Зв)	Бэр	1 Зв=100 бэр
Эффективная доза Е	Зв	-	-

*-Используется для гамма-излучения с энергией до 3 МэВ в воздухе.

** Для гамма-излучения с энергией до 10 МэВ керма практически не отличается от поглощенной дозы

***- Для хрусталика глаза d=3 мг/см² кожи - d=0,07 мг/см², всего тела d=10 мг/см²

Пример 2. Какой поглощенной дозе в воздухе соответствует экспозиционная доза в один ренген?

Решение. Поскольку один рентген соответствует образованию 2,08·10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха, то, принимаемая энергию образования пары ионов в воздухе равной 34 эВ, получим

Ответ: Соотношение между рентгеном и греем (радом) в воздухе

D(Гр)=8,73·10^-3X(Р),

D(рад)=0,873·Х (Р)

Поглощенная доза в i-м материале (D_i) при известной экспозиционной дозе (Х) рассчитывается по формуле

(1.2)

где μ_{m,i ,} μ_m,возд – массовый коэффициент поглощения энергии в i-й среде и воздухе, соответственно, г/см²;

к – коэффициент, учитывающий используемые единицы измерения.

Если поглощенная доза используется в греях, а экспозиционная в ренгенах, то к= 0,873.

Пример 3. Чему равна поглощенная доза в биологической ткани при значении экспозиционной дозы (Х) 1 Р? Отношение массовых коэффициентов поглощения энергии в биологической ткани и воздухе равно 1,1 в широком диапазоне энергий гамма-квантов.

Решение. Так как отношения массовых коэффициентов поглощения энергии в воздухе равно 1.1, а 1 Р соответствует 0.873 рад поглощенной энергии в воздухе, то поглощенная доза в биологической ткани, рассчитанная по (1.2), составит 0.96 рада или 9,6·10^-3 Гр.

Ответ: 9,6·10^-3 Гр.

Флюенс частиц (Ф)

Флюенс частиц – это отношение числа частиц dN проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения dS этой сферы. Единица флюенса – фотонов/см² (част./см²). Флюенс равен

, (1.3)

Плотность потока частиц или гамма-квантов (φ).

Плотность потока частиц или гамма-квантов – это флюенс за единицу времени, част/(см²/с):

.

Для точечного источника фотонов (частиц) испускающего q фотонов/с (част./с) на расстоянии R плотность потока фотонов (частиц) φ равна

. (1.4)

Керма.

Керма - количество кинетической энергии, переданной заряженным частицам, образованным косвенно ионизирующим излучением в единице массы облучаемой среды. Для гамма-излучения керма выражает отношение суммарной кинетической энергии первичных электронов и позитронов, образовавшихся от действия гамма-квантов в некотором объеме вещества, к массе вещества в этом объеме. Единица кермы в системе СИ – Гр, внесистемная единица – рад. Грей равен такой керме, при которой сумма начальных кинетических энергий всех заряженных ионизирующих частиц, образовавшихся в веществе массой 1 кг, равна 1 Дж.

Разница между кермой и поглощенной дозой для гамма-излучения заключается в том, что керма учитывает энергию, затраченную на последующее тормозное излучение заряженных частиц. Для энергии фотонов менее 3 МэВ значение кермы в воздухе практически не отличается от поглощенной дозы, оно выше не более, чем на 1 %. Для энергии гамма-квантов до 10 МэВ это различие не превышает 4 %.

Равенство кермы и поглощенной дозы для гамма-излучения, если пренебречь потерей энергии на тормозное излучение заряженных частиц, предполагает наличие электронного равновесия: сумма энергий электронов, покидающих рассматриваемый объем и поглощенных в нем, соответствует сумме энергий электронов, входящих в этот объем и образующихся в этом объеме. Это верно для ткани большой массы. Для тонких слоев биологической ткани, например кожи, это равновесие не соблюдается: сумма энергий образовавшихся частиц больше, чем сумма энергий поглощенных частиц.

Для нейтронов в условичях электронного равновесия поглощенная доза может быть представлена как сумма кермы и поглощенной дозы от вторичного гамма-излучения, которое образовалось в результате взаимодействия нейтронов с атомами среды. Поэтому керма всегда ниже поглощенной дозы.

Любая дозиметрическая величина G для долгоживущего радионуклида (время облучения значительно меньше периода полураспада) определяется по формуле

G=

где - мощность дозиметрической величины G.

В противном случае значение дозиметрической величины G определяется по формуле

где ₀-мощность дозиметрической величины при t=0;

t-время,

λ-постоянная распада радионуклида.