Ионизирующие излучения, их характеристики и методы измерений

 

Таблица 2 Пробеги бета-частиц

Максимальная энергия бета-частиц, Е, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мм	Алюминий, мм
0,01	0,13	0,002	0,0006
0,02	0,52	0,008	0,0026
0,03	1,12	0,018	0,0056
0.04	1,94	0,030	0,0096
0,05	2,91	0,046	0,0144
0,06	4,03	0,063	0.0200
0.07	5,29	0,083	0,0263
0,08	6,93	0,109	0,0344
0,09	8,20	0,129	0,0407
0,1	10,1	0,158	0,050
0,5	119	1,87	0,593
1,0	306	4,80	1,52
1,5	494	7,80	2,47
2,0	710	11,1	3,51
2,5	910	14,3	4,52
3,0	1100	17,4	5,50
5,0	1900	29,8	9,42
10	3900	60,8	19,2

 

Удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тысяч пар ионов на 1 см пути в воздухе. Удельная ионизация увеличивается к концу пробега альфа-частиц. Это связано с тем, что при прохождении через вещество энергия альфа-частицы, а значит, и ее скорость уменьшается. В результате увеличивается вероятность ее взаимодействия с электронами атома. Это приводит к увеличению ионизации вещества, достигая максимума в конце пробега.

Альфа-частицы, имея двойной электрический заряд и большую массу буквально "продираются" через атомы вещества. Вследствие сильных потерь энергии альфа-частицы проникают на незначительную глубину.

В отличие от фотонов и бета-частиц длина пробега альфа-частиц экспоненциальному закону не подчиняется. Поэтому пользуются империческими формулами. Так, например, для воздуха при 0°°С и давлении 760 мм рт. ст. (0,1Па), длина пробега альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть рассчитана по формуле Гейгера:

 

Raa = (Eaa2/3) /3, (см) (8)

 

Длина пробега Rα альфа-частиц в воздухе при температуре 15°°С и давлении 0,1 Па определяется по формулам:

 

Raa = 0,318 Eaa2/3 , (см) – если Eaa = (4–7) МэВ; (9)

Raa = 0,56 Eaa2/3 , (см) – если Eaa < 4 МэВ. (10)

 

где: Eaa – энергия альфа-частиц.

Пробег альфа-частиц в веществе, отличном от воздуха определяют по формуле Брэгга:

 

Raa = 10–4(M Eaa3)1/2 /rr, см (11)

 

где: М – атомная масса; rr – плотность вещества, г/см3.

Расчет по приведенным формулам показывает, что пробег альфа-частиц в воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани 120 мкм, т.е. реальную опасность альфа частицы представляют при попадании их во внутрь организма.

В таблице 3 показана длина пробега альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии. Алюминий взят в качестве примера, так как именно металлы чаще всего применяются для защиты человека и электронных схем от ионизирующих излучений.

• Сравнительная характеристика способности проникновения излучений через различные вещества с учетом толщины преграды поясняется рис.11.

 

Таблица 3 Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии

Энергия альфа частиц Еα, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мкм	Алюминий, мкм
4,0	2,5	31	16
4,5	3,0	37	20
5,0	3,5	43	23
6,0	4,6	56	30
7,0	5,9	72	38
8,0	7,4	91	48
9,0	8,9	110	58
10	10,6	130	69

 

 

Характеристики ионизирующих излучений. Единицы измерения

 

Для установления закономерностей распространения и поглощения ионизирующих излучений в среде, в том числе и в биологической ткани, введены следующие основные характеристики: энергия частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц (фотонов), флюенс-частиц (фотонов), поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, керма, экспозиционная доза фотонного излучения, мощность экспозиционной дозы, эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы, эффективная доза, полувековая эквивалентная доза, коллективная эквивалентная доза и др.

Рассмотрим только некоторые характеристики, которые будут использованы на практических занятиях.

Энергия частиц или гамма-квантов – Е выражается в Джоулях или электрон-вольтах (эВ). Величина Джоуль используется в системе СИ, электрон вольт (эВ) – внесистемная единица.

 

1эВ = 1,6.10–19Дж (12)

 

где: 1эВ – это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1В.

Плотность потока частиц (гамма-квантов) jj – выражается числом частиц (гамма-квантов), падающих на единицу поверхности в единицу времени. Поверхность расположена нормально к направлению движения частиц. Единица измерения – частица/м2 с.

Флюенс частиц (фотонов) характеризует полное число частиц, прошедших через единичную поверхность за все время облучения:

 

Ф = jjt (13)

 

Единица измерения флюенса – частица/м2.

• Исторически получилось так, что сначала были открыты гамма-лучи. Было замечено, что они имеют свойство ионизировать воздух. Поэтому для характеристики поля было введено понятие экспозиционная доза.

Экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения характеризует их способность создавать в веществе заряженные частицы. Выражается отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака Q, образованного излучением в некотором объеме воздуха к массе dm в этом объеме:

 

Х = dQ/dm (14)

 

Единица измерения в системе СИ – Кулон/кг, внесистемная единица – Рентген.

1 Рентген – это доза фотонного излучения, при прохождении которого через 1см3 сухого воздуха при температуре 0°°С, давлении 1013гПа (760 мм рт. ст.), образуется 2.109 пар ионов, несущих электрический заряд в одну электростатическую единицу количества электричества данного знака.

Доза в 1Р накапливается за 1 час на расстоянии 1м от источника радия массой в 1г, т.е. активностью в 1Ки.

Между единицами существует следующая зависимость: 1Р = 2,58·10–4 Кл/кг; 1Кл/кг = 3,876.103 Р.

Учитывая, что экспозиционная доза накапливается во времени, на практике используется и понятие мощность экспозиционной дозы или уровень радиации.

Мощность экспозиционной дозы – отношение приращения экспозиционной дозы dХ за интервал времени dt к этому интервалу:

 

= dх/dt (15)

 

Единицы измерения: в системе СИ – А/кг; внесистемная единица – Р/с, Р/ч, мР/ч, мкР/ч и т.д.

• После того, как были открыты бета-излучение и альфа-излучение, стал вопрос оценки этих излучений при взаимодействии с окружающей средой. Экспозиционная доза для оценки оказалась непригодной. Поэтому была предложена, казалось бы, универсальная характеристика – поглощенная доза.

Поглощенная доза – количество энергии Е, переданное веществу излучением любого вида пересчете на единицу массы m любого вещества:

 

D = dE/dm, (Дж/кг). (16)

 

1Дж/кг = 1Грей. Внесистемная единица – рад (радиационная адсорбционная доза). 1Грей = 100 рад. Можно использовать и дробные значения единиц, например: мГр, мкГр, мрад, мкрад и др.

Доза в органе или биологической ткани (DT) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

 

DT = WТ/mT (17)

 

где WТ – полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; mT – масса органа или ткани; DT – средняя поглощенная доза в массе ткани dm.

Вредное воздействие ионизирующих излучений на человека зависит не только от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена, поэтому введено понятие мощность поглощенной дозы.

Мощность поглощенной дозы – отношение приращения поглощенной дозы dD за время dt:

 

= Р = dD/dt (18)

 

Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д.

Мощность поглощенной дозы в ряде случаев можно рассматривать как величину постоянную или изменяющуюся по экспоненте, т.е.:

 

 

Р = соnst или Р = Рое – 0,693 t/T (19)

 

• Замечено, что при облучении одной и той же энергией биологической ткани человека, (т.е. при получении одной и той же дозы), но различными видами лучей последствия для здоровья будут разными. Например, если при облучении альфа частицами вероятность заболеть раком очень высокая, то при облучении бета- частицами значительно меньше, а при облучении гамма-лучами еще меньше. Поэтому для биологической ткани была введена характеристика – эквивалентная доза.

Эквивалентная доза (НТ.R) – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения К данного вида излучения R. Введена для оценки последствий облучения биологической ткани малыми дозами (дозами, не превышающими 5 предельно-допустимых доз при облучении всего тела человека), т.е. 250 мЗв/год. Ее нельзя использовать для оценки последствий облучения большими дозами. Доза эквивалентная равна:

 

НT.R = DT.R • WR, (20)

 

где: DT.R – поглощенная доза биологической тканью излучением R; WR – коэффициент качества для отдельных видов излучений R (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-квантов и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцирования биологических эффектов (табл.4). Формула (20) справедлива для оценки как внешнего, так и внутреннего облучения только отдельных органов и тканей или равномерного облучения всего тела человека. При воздействии различных видов излучений одновременно с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для всех этих видов излучения R:

 

НТ = Σ НТ.R (21)

 

• Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности по тока излучения.

Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ: Зиверт (Зв).

Зиверт – единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского и гамма-излучения.

Существует и внесистемная единица – бэр (биологический эквивалент рада), которая постепенно изымается из пользования. 1 Зв = 100 бэр.

 

Таблица 4 Коэффициенты качества излучения

Вид излучения и диапазон энергии	Коэффициенты качества WR
Фотоны всех энергий	1
Электроны всех энергий	1
Альфа-частицы	20
Нейтроны с энергией:
< 10 кэВ	5
от 10 кэВ до 100 кэВ	10
> 100 кэВ до 2 Мэв	20
> 2 МэВ до 20 МэВ	10
> 20 МэВ	5
Протоны с энергией более 2МэВ, кроме протонов отдачи	5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра	20
Примечание. Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения – испускаемому при ядерном превращении.

 

Мощность эквивалентной дозы – отношение приращения эквивалентной дозы dH за время dt:

 

 

= dH/dt (22)

 

Единицы измерения мощности эквивалентной дозы м Зв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/с и т.д.

В случае неравномерного облучения тела человека формула (20) не может быть использована, так как биологический эффект может оказаться другим. Поэтому введена "эффективная доза".

Эффективная доза (Е) – это такая доза при неравномерном облучении тела человека, которая равна эквивалентной дозе при равномерном облучении всего организма, при которой риск неблагоприятных последствий будет таким же, как и при неравномерном облучении тела человека.

Учет неравномерного облучения производится с помощью коэффициента радиационного риска (взвешивающий коэффициент), который учитывает радио чувствительность различных органов человека:

 

Е = SSHiWTi, (23)