Характеристики полей ионизирующего излучения

Распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде называется полем ионизирующего излучения. Наиболее полная информация о поле излучения задается распределением частиц во времени, в пространстве и по энергии. Другими словами, чтобы описать поле излучения в какой-то точке пространства, необходимо знать, сколько частиц, с какой энергией и в каком направлении приходит в эту точку пространства в каждый момент времени.

Существует несколько основных типов направленности излучения:

- поле точечного изотропного источника – излучение, в поле которого частицы и фотоны распространяются из одной точки по всем возможным направлениям с одинаковой вероятностью;

- мононаправленное – излучение, в поле которого все частицы и фотоны распространяются в одном направлении, образуя плоскопараллельный пучок излучения;

- изотропное– излучение, в поле которого любые направления распространения частиц и фотонов являются равновероятными.

Ионизирующие излучения делятся на две группы. К первой группе относятся излучения, состоящие из заряженных частиц – электронов, позитронов, альфа-частиц и др., которые непосредственно ионизируют атомы и молекулы при прохождении через вещество. Ко второй группе относятся нейтроны и фотоны, которые непосредственно атомы и молекулы вещества не ионизируют, а взаимодействуя с веществом, порождают вторичные заряженные частицы, передавая им часть своей энергии. Взаимодействие этих вторичных частиц с веществом и приводит к его ионизации. Таким образом, ионизирующее излучение бывает

- непосредственно ионизирующим, т.е. состоящим из заряженных частиц, способных ионизировать среду;

- косвенно ионизирующим, т.е. состоящим из незаряженных частиц, способных создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения.

Свойства среды, в которой распространяется излучение, оказывают существенное влияние на его поле. Если расстояние между источником и приемником излучения многократно превосходит линейные размеры источника, то в отсутствие рассеяния и поглощения (например, в вакууме) поле излучения любого радионуклидного источника имеет вид поля точечного изотропного источника. По мере увеличения расстояния от источника поле его излучения в вакууме переходит в мононаправленное.

При распространении излучения в рассеивающей среде, например, в теле человека, можно представить его состоящим из двух компонент. Первая – нерассеянное первичное излучение, которое без взаимодействия с атомами среды доходит до рассматриваемой точки. Испытавшие взаимодействие с веществом частицы образуют рассеянное излучение. Вклад этой компоненты растет по мере проникновения первичного излучения в облучаемый объект. С увеличением глубины проникновения излучения в вещество поле рассеянного излучения становится все более и более изотропным в результате многократных актов рассеяния.

Потокчастиц(фотонов) F(t) является количественной характеристикой поля излучения. Он определяется как отношение ожидаемого числа частиц (фотонов) dN, пересекающих заданную поверхность (не элемент поверхности!) за интервал времени dt, к величине этого интервала:

F = . (6)

Размерность – 1/с. Определённый таким образом поток есть непрерывная функция времени.

Плотность потока частиц (фотонов) j – отношение потока ионизирующих частиц dF, пересекающих поверхность маленькой сферы, к площади центрального сечения ds этой сферы:

. (7)

Размерность - 1/(см²×с)[2]. Малость сферы в радиационной безопасности рассматривается по отношению к характерным размерам клеточных структур (несколько микрометров), поэтому в пределах таких структур будем полагать плотность потока непрерывной функцией пространственных координат, т.е. определённой в каждой точке.

Флюенс частиц (фотонов)Ф – отношение ожидаемого числа частиц (фотонов) dN, пересекающих поверхность маленькой сферы за время облучения, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

Ф = . (8)

Размерность - 1/см².

При известной временной зависимости плотности потока частиц j(t) флюенс Ф за временной интервал Dt = t₂ – t₁ получается интегрированием:

Ф = . (9)

Для точечного изотропного источника с активностью А(t) и выходом частиц h плотность потока частиц j(t,r) в вакууме в любой момент времени t и в любой точке на расстоянии r от источника равна

j(t, r) = . (10)

При прохождении излучения через рассеивающую среду плотность потока излучения будет изменяться по иному закону. Для фотонов плотность потока первичного излучения в веществе вычисляется по формуле

j(t, r) = exp(-mr), (11)

где m - линейный коэффициент ослабления.

Линейный коэффициент ослабления m - отношение доли dN/N косвенно ионизирующих частиц, испытавших взаимодействие при прохождении элементарного пути в веществе, к длине dl этого пути:

m = . (12)

Размерность - 1/см.

По формуле (11) можно рассчитать значения плотности потока или флюенса только первичного излучения в любой точке внутри или вне данного вещества. Если эффект воздействия обусловливается не только первичным, но и вторичным рассеянным в веществе излучением, то в формулу (11) вводится дополнительный множитель В, называемый фактором накопления:

j(t, r) = ×В(e_g, mr)×exp(-mr), (13)

где e_g - энергия нерассеянного g-излучения.

Фактор накопления - величина, зависящая от характеристик источника излучения, материала, в котором распространяется излучение, его компоновки и размеров (обычно рассчитывается по специальным методикам расчёта защиты). Численно он равен отношению величины эффекта от рассеянного и нерассеянного излучений к величине эффекта только от нерассеянного излучения.

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

. (14)

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. Размерность – Дж/м.

Легкие заряженные частицы, электроны и позитроны, являются излучением с низкой ЛПЭ. Тяжелые заряженные частицы – протоны, альфа-частицы, ядра отдачи и др. являются излучением с высокой ЛПЭ.

Дозиметрические величины

Современная система дозиметрических величин включает в себя три компоненты:

- базовые физические величины, являющиеся мерой воздействия ионизирующего излучения на вещество;

- нормируемые величины, предназначенные для оценки ущерба от воздействия излучения на человека;

- операционные величины, непосредственно связанные с результатами измерений через калибровку и градуировку измерительных приборов и предназначенные для демонстрации соответствия реального облучения контрольным уровням, установленным для нормируемых величин при радиационном контроле. Контрольными уровнями могут быть установленные нормами НРБ-99/2009 пределы годовых доз, а также установленные поднормативными документами уровни введения индивидуального контроля, уровни для исследования причин повышенного воздействия излучения и уровни для принятия мер по устранению подобного воздействия.

Общая схема структуры дозиметрических величин представлена на рис. 1.