1.2 Основные понятия дозиметрии

В ходе ядерных реакций образуется большое количество продуктов распада, которые вылетают с большой скоростью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для характеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества. Под активностью понимают число самопроизвольных ядерных превращений N за 1 с:

А = (1.2.1)

Единицей измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7 • 10¹⁰ Бк. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226.

Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы излучения. Дозой излучения называется часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная доза излучения (D). Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в некотором объеме, к массе вещества в этом объеме dm:

(1.2.2)

Поглощенная доза является основной дозиметрической величиной. В системе СИ в качестве единицы измерения поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению 1-им кг вещества 1-ого Дж энергии ионизирующего излучения, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг

Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (Н). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы D на средний коэффициент качества излучения Q (безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т. е.

(1.2.3)

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв).

Существует специальная единица эквивалентной дозы - биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр - это количество энергии любого вида излучения, поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма-излучения (1 Зв = 100 бэр).[2,6,7]

1.3 Прохождение гамма-излучения через вещество

Электромагнитное излучение характеризуется интенсивностью (величина, представляющей собой энергию, переносимую фотонами в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения излучения).

Уменьшение интенсивности монохроматического пучка гамма-излучения при прохождении его через вещество дается формулой:

(1.3.1)

где I₀ - начальная интенсивность падающего на поглотитель гамма - излучения (при x = 0), а I - интенсивность излучения после прохождения слоя толщиной x, где μ - коэффициент пропорциональности, называемый линейным коэффициентом ослабления. Таким образом, интенсивность пучка с возрастанием толщины слоя вещества экспоненциально убывает.

Данная формула справедлива только для нормально падающего на

поверхность поглотителя монохроматического пучка гамма - излучения. При наличии в пучке гамма-квантов различной энергии E₁,E₂,…E_n формула ослабления интенсивности гамма - излучения принимает вид:

(1.3.2)

Здесь I_0i – начальная интенсивность i-ой компоненты гамма - излучения с энергией E_i, а - линейный коэффициент ослабления гамма-квантов с энергией E_i.

После прохождения слоя поглотителя толщиной x/2, называемого слоем, половинного ослабления, интенсивность моноэнергетического гамма-излучения уменьшается вдвое, то есть

(1.3.3)

Следовательно, определив экспериментально слой половинного ослабления, можно легко по формуле (1.3.3) вычислить линейный коэффициент ослабления (и наоборот).

Коэффициент пропорциональности µ называют полным линейным коэффициентом ослабления. Он имеет размерность см^-1 и численно равен доле моноэнергетических γ - квантов, выбывающих из параллельного пучка на единице пути излучения в веществе. Полный линейный коэффициент ослабления зависит от плотности, порядкового номера вещества, а также от энергии γ - квантов:

µ=µ(ρ,z,E_γ) (1.3.4)

Полный линейный коэффициент ослабления можно разделить на три основных части:

µ= τ + σ + χ (1.3.5)

где τ - линейный коэффициент ослабления в случае фотоэффекта, ε - линейный коэффициент ослабления для комптоновского эффекта, χ - линейный коэффициент ослабления в случае эффекта образования пар.

Рисунок 1.4 Зависимость коэффициента ослабления γ – излучения для алюминия (слева) и свинца (справа) от энергии γ – лучей.

Комптон-эффект слабее зависит от энергии E_γ по сравнению с фотоэффектом. Поэтому им можно пренебречь лишь в области энергий E_γ > 10 Мэв, где становится существенным эффект образования электрон-позитронных пар. В случае эффекта образования электрон-позитронных пар энергия первичного фотона преобразуется в кинетическую энергию электрона и позитрона и в энергию аннигиляционного излучения.

Рисунок 1.5 Относительная роль трех эффектов поглощения фотонов: а - область преобладания фотоэлектрического эффекта; б - область преобладания комптоновского эффекта; в - область преобладания эффекта образования пар.

С ростом энергии коэффициент τ резко уменьшается, величина коэффициента σ снижается, но медленнее, чем τ, коэффициент образования пар растет с повышением энергии, начиная с 1,02 МэВ.

С ростом атомного номера вещества поглотителя фотоэффект возрастает пропорционально Z⁴, Комптон-эффект - пропорционально Z, эффект образования пар - пропорционально Z².

Можно также ввести массовый коэффициент ослабления(µ_m). µ_m - отношение линейного коэффициента ослабления к плотности среды, через которую проходит излучение:

µ_m=µ/ρ (1.3.6)

Вещества с одинаковыми эффективными порядковыми номерами имеют равные массовые коэффициенты ослабления. Так, массовые коэффициенты ослабления воды, кислорода, азота, воздуха, углерода и живой ткани мало отличаются друг от друга, так как их эффективные порядковые номера близки по величине.

В свинце полный линейный коэффициент ослабления с увеличением энергии сначала уменьшается, принимая минимальное значение при энергии 3 МэВ, а затем увеличивается. Такой ход кривой объясняется тем, что при низких энергиях зависимость µ(E_γ) обуславливается фотоэффектом и комптоновским эффектом, а уже при энергиях больше 3 МэВ, в коэффициент µ основной вклад дает эффект образования пар. Свинец наиболее прозрачен для γ - квантов с энергией около 3 МэВ.

Взаимодействие излучения с веществом заканчивается в одних эффектах поглощением γ - квантов (фотоэффект, образование пар), в других рассеянием (комптоновским эффект). Поэтому полный линейный коэффициент часто подразделяют на две составляющие:

µ=µ_e + µ_s (1.3.7)

µ_е= τ+χ (1.3.8)

µ_s= ε (1.3.9)

Коэффициент µ_е называют коэффициентом истинного поглощения или коэффициентом электронного преобразования. Он определяет долю энергии γ - излучения, переданную электронам и позитронам в слое вещества. µ_s - линейный коэффициент рассеяния, он определяет долю энергии γ - излучения, преобразованную в энергию вторичного γ - излучения.

Пути пробега гамма - квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе - десятками сантиметров и даже метрами. Проникающая способность гамма - излучения увеличивается с ростом энергии гамма - квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества - поглотителя. [2,4,5]