Проникающая способность излучения

Различные виды излучения по-разному проходят через вещество.

Альфа-частицы и тяжелые ядра отдачи интенсивно теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение, поэтому их пробеги в любом веществе невелики. Например, пробег a-частицы в целлюлозе не превышает нескольких десятков микрометров; даже слой бумаги (рис. 2.6) полностью поглощает a-частицы. Однако при обращении с большими количествами a-излучающих радионуклидов, распределенных в среде с Z < 10 следует иметь в виду нейтроны, которые могут рождаться в (α,n)-реакциях и проникать через значительные толщины конструкционных материалов.

Бета-частицы или электроны обладают меньшей ионизирующей способностью по сравнению с a-частицами, но все же пробеги их в веществе невелики. Например, электрон с энергией 1 МэВ никогда не пройдет через слой воды толщиной 0.5 см. Ситуация может измениться решительным образом, если такие электроны проходят через среду с большим Z. В этом случае они будут порождать тормозное излучение со средней энергией около 0.27 МэВ, которое способно проникать через значительные толщины конструкционных материалов.

Гамма-излучение взаимодействует с веществом, передавая энергию электронам. Чем больше электронов в единице объема вещества, тем более вероятна такая передача энергии. Следовательно, для защиты от g-излучения следует выбирать вещества с большим Z. Например, 6 см свинца задерживает 99% g-квантов с энергией 1 МэВ, а воды для этого потребуется уже 65 см.

Нейтроны быстрее всего теряют энергию в легких веществах за счет упругих соударений; при этом водород обладает наибольшей вероятностью для подобных соударений, и на ядрах водорода теряется в среднем большая энергия, чем на более тяжелых ядрах. Поэтому нейтроны сравнительно легко проходят через вещество с большим Z (рис. 2.6), но быстро поглощаются водородсодержащим материалом. Следует заметить, что, потеряв энергию в водородсодержащем материале до тепловой, нейтрон захватывается атомом водорода, образуя дейтерий и испуская при этом g-квант с энергией 2.25 МэВ. Следовательно, водородсодержащая защита становится источником g-излучения при облучении ее нейтронами.

Рис. 2.6. Проникающая способность излучения

Проникающую способность заряженных частиц можно характеризовать величиной среднего пробега в веществе. Характеристикой проникающей способности g-квантов и нейтронов является толщина слоя вещества, при прохождении которого флюенс первичного нерассеянного излучения уменьшается вдвое за счет взаимодействия излучения с веществом. Эту величину называют слоем половинного ослабления.

Глава 3

ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ

Дозиметрия – прикладная область радиационной физики, которая служит целям обеспечения радиационной безопасности человека при работе в полях ионизирующего излучения.

Основной физической величиной, характеризующей воздействие потока ионизирующего излучения на вещество, является поглощенная доза излучения. Поглощенная доза ионизирующего излучения в определенной точке вещества определяется как отношение средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, окружающем указанную точку, к массе dm вещества в этом объеме:

.

(3.1)

Единица поглощенной дозы – Дж/кг носит специальное наименование грей[3] (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад^[4] равна 0.01 Гр.

Мощностью поглощенной дозы называют отношение приращения дозы dD за промежуток времени dt к этому промежутку времени:

.

(3.2)

Единица мощности поглощенной дозы – Гр/с. В практике радиационной безопасности рекомендуется использовать дольные единицы – мкГр/с, мГр/ч и др.

Величина поглощенной дозы показывает, сколько энергии передало излучение каждому элементу облучаемого вещества. То, как передается эта энергия, характеризует линейная передача энергии излучения веществу. Полная линейная передача энергии (ЛПЭ) – энергия, переданная ионизирующей частицей веществу на единице длины ее траектории, L:

,

(3.3)

где dl – путь, пройденный заряженной частицей в веществе;
– полная средняя энергия, которая теряется частицей во всех взаимодействиях на таком пути. Как правило, под ЛПЭ излучения подразумевают полную передачу энергии в жидкой воде (при плотности 1 г/см³). Эту величину используют для оценки «качества» излучения. Единица измерения ЛПЭ – кэВ/мкм. Величина ЛПЭ меняется в широких пределах и в значительной степени определяется скоростью частиц. На рис. 3.1 показано, что чем выше ЛПЭ заряженной частицы, тем меньше ее свободный пробег между последовательными взаимодействиями с веществом и тем больше ионизированных атомов и молекул на единице длины трека такой частицы.

Рис. 3.1. Треки заряженных частиц в воде

Поглощенная доза ионизирующего излучения формируется за счет передачи веществу энергии излучения заряженными частицами. В поле косвенно ионизирующего излучения поглощенная доза формируется в два этапа. На первом этапе энергия первичного излучения передается вторичным заряженным частицам, которые рождаются в результате взаимодействия первичного излучения с веществом. На втором этапе эти вторичные заряженные частицы передают веществу энергию, полученную от первичного излучения при своем рождении. При облучении потоком заряженных частиц энергия излучения передается веществу непосредственно во взаимодействиях этих частиц с атомами и молекулами. Поглощенная доза в точке прямо пропорциональна флюенсу излучения вида R, прошедшему в ее окрестности:

,

(3.4)

где Ф(Е)_R – флюенс излучения вида R в интересующей нас точке вещества; d(E)_R – коэффициент дозового преобразования этого излучения, равный дозе, поглощенной в веществе в результате прохождения через него единицы флюенса излучения вида R. Суммирование производится по всем энергиям спектра излучения. Аналогично определяется и мощность дозы того же излучения:

,

(3.5)

где j(Е)_R – плотность потока излучения вида R в интересующей нас точке вещества.

Рассмотрим подробнее поле излучения точечного изотропного источника фотонов в веществе. Известно, что флюенс излучения в веществе меняется в зависимости от расстояния до источника. В основе этого явления лежат два процесса:

– распространение нерассеянного излучения в веществе, подобное распространению излучения в вакууме;

– взаимодействие фотонов с веществом, приводящее к поглощению первичного излучения.

Процесс распространения нерассеянного излучения точечного изотропного источника подчиняется закону квадрата расстояния, который характеризует геометрическое уменьшение плотности потока излучения (рис. 3.2):

,

(3.6)

где r – расстояние от источника.

Взаимодействие фотонов с веществом является случайным процессом, поэтому распространение первичного излучения в веществе поглотителя подчиняется экспоненциальному закону (рис. 3.3)

Рис. 3.2. Закон квадрата расстояния

,

(3.7)

где c – толщина поглотителя; – коэффициенты ослабления для различных материалов.

Рис. 3.3. Закон экспоненциального ослабления

Величина, обратная , называется длиной свободного пробега излучения в веществе (ДСП) и равна среднему расстоянию, которое проходит нейтрон или фотон в веществе между двумя последующими взаимодействиями. ДСП зависит от вида излучения, его энергии и вещества поглотителя, например, ДСП фотонов ⁶⁰Co (E_g » 1.25 МэВ) в воде равна 16 см, а в свинце –примерно 2 см. На рис. 3.4 приведены коэффициент ослабления фотонного излучения в воде и коэффициент дозового преобразования для поглощенной дозы в воде как функции энергии фотонов. Вероятность эффекта фотопоглощения при прохождении фотонов через вещество быстро убывает с ростом энергии. Так же ведут себя коэффициенты дозового преобразования и ослабления. При энергиях более 0.1 МэВ основную роль во взаимодействии фотонов с веществом играет комптоновское рассеяние. В этой области энергий коэффициент ослабления излучения продолжает убывать с ростом энергии излучения, иными словами, проникающая способность излучения растет. Иначе ведет себя коэффициент дозового преобразования. С ростом энергии фотона растет энергия вторичных электронов, возникающих при комптоновском рассеянии, растет и энергия излучения, которая передается веществу в результате одного взаимодействия первичного фотона. Несмотря на то, что число таких взаимодействий (его отражает коэффициент ослабления) падает с ростом энергии, в целом энергия, которую поток фотонов передает веществу, растет с энергией фотонов.

Рис. 3.4. Коэффициент ослабления фотонного излучения в воде и коэффициент дозового преобразования для поглощенной дозы в воде как функции энергии фотонов

ДСП нейтронов спектра деления в воде равна примерно 8 см (в свинце – 14 см). Длины свободного пробега медленных и тепловых нейтронов в биологической ткани еще меньше, поэтому рассеянное излучение играет существенную роль в формировании дозы нейтронов в биологической ткани. Это затрудняет расчет доз нейтронов в веществе. Рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данного пособия.

Рассмотрим подробнее формирование дозы фотонного излучения точечного изотропного источника.

Флюенс нерассеянного излучения точечного изотропного источника в некоторой точке пространства определяется несколькими факторами (рис. 3.5):

– числом частиц с энергией E_i, испускаемых источником в единицу времени, A₀×n(E_i) (A₀ – активность источника, n(E_i) – спектр излучения источника);

– временем облучения, t;

– толщиной поглотителя, расположенного между источником и детектором и рассеивающего первичное излучение, c;

– коэффициентом ослабления первичного излучения в
поглотителе, m(E_i);

– расстоянием между источником излучения и точкой его детектирования, в которой определяется доза излучения, r.

Рис. 3.5. Флюенс излучения точечного изотропного источника

В большинстве случаев вкладом рассеянного облучения в дозу можно пренебречь. В этом случае флюенс точечного изотропного источника в выбранной точке пространства следующим образом зависит от вышеперечисленных факторов:

.

(3.8)

Первый сомножитель[5] в (3.8) равен числу частиц с энергией E_i, которые были испущены источником за время облучения. Он иллюстрирует принцип защиты временем, который заключается в том, что чем меньше время облучения, тем меньше доза облучения. Второй сомножитель отражает закон экспоненциального ослабления первичного излучения. Он иллюстрирует принцип защиты экранированием, который заключается в том, что чем толще слой поглотителя, экранирующего источник, тем меньше доза облучения. Третий сомножитель отражает закон геометрического ослабления первичного излучения. Он иллюстрирует принцип защиты расстоянием, который заключается в том, что чем дальше облучаемый объект (например, человек) находится от источника, тем меньше доза его облучения.

Оценка флюенса, полученная указанным выше способом, может служить первым этапом быстрого, хотя и не слишком точного расчета дозы внешнего фотонного излучения. На втором этапе оценка флюенса используется для оценки доз облучения органов и тканей тела человека вместе с дополнительной информацией о типе и энергии излучения, а также о направленности его поля. Означенные параметры определяют значения коэффициентов дозового преобразования для доз облучения органов и тканей тела человека. Неточность информации об этих параметрах радиационного воздействия является основным источником неопределенности оценки доз. Оценка коэффициентов дозового преобразования является непростой задачей. Их величина определяется не только тем, как взаимодействует излучение с веществом в теле человека, но также и тем, какие биологические эффекты излучения мы собираемся анализировать с помощью полученной дозиметрической информации.

Что происходит с энергией излучения, переданной веществу? Каковы последствия воздействия излучения на человека и как использовать дозиметрические данные для их оценки? Ответ на этот вопрос дает специальная область – радиационная биология.

Глава 4