Экспозиционная доза фотонного излучения

Экспозиционная доза (X) фотонного излучения – отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе dm воздуха в этом объеме:

(2.7)

Понятие экспозиционная доза установлено только для фотонного излучения с энергией 1 кэВ – 3 МэВ.

Единица экспозиционной дозы в СИ – Кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в воздухе массой
1 кг, производят ионы, несущие электрический заряд 1 Кл каждого знака.

Внесистемная единица экспозиционной дозы фотонного излучения: Рентген (Р).

Рентген – единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 грамма воздуха (1 см³) сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях (температура 0°С и давление 1013 ГПа (760 мм рт. ст.) в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

(Шарль Огюстен Кулон (1736–1806) – французский физик, внесший большой научный вклад в области электричества и магнетизма).

(Вильгельм Кондрад Рентген (1845–1923) – немецкий физик, открывший излучение, названное им Х -лучами (рентгеновские лучи), и создавший рентгеновские трубки.)

При определении экспозиционной дозы должно выполняться условие электронного равновесия, при котором сумма энергий образующихся электронов, покидающих рассматриваемый объем, соответствует сумме энергий электронов, входящих в этот объем. В условиях электронного равновесия в качестве энергетического эквивалента экспозиционной дозы можно принять поглощенную дозу излучения.

Из определения единицы рентген можно найти энергетические эквиваленты рентгена во внесистемных единицах.

По определению, 1 Р соответствует заряд 1CГCE = N ´ q, где N – число ионов, создаваемых излучением в 1 см³; q – заряд иона, равный 4,8´10^–10 СГСЕ.

Таким образом, для определения заряда в 1СГСЕ требуется:

N = l / (4,8 ´ 10 ^–10) = 2,08 ´ 10 ⁹ пар ионов / см³.

При расчете на 1 г воздуха 1 Р будет соответствовать:

2,08´10 ⁹ /0,001293 = 1,61´10 ¹² пар ионов / г или 1,61´10 ¹⁵ пар ионов / кг.

Если учесть, что средняя энергия ионообразования в воздухе
W= 33,85 эВ и 1эВ = 1,6 ´ 10^–12эрг, то единице экспозиционной дозы
1 Р будет соответствовать поглощенная энергия в 1 см³ воздуха:

N_W = 2,08 ´ 10 ⁹ ´ 33,85 ´ 10^-6 = 7,05 ´ 10 ⁴ МэВ / см³ = 0,113 эрг / cм³,

при пересчете на 1 г воздуха единица экспозиционной дозы 1 Р будет соответствовать поглощенной энергии:

N_W = 1,61 ´ 10 ^-12 ´ ЗЗ,85 ´ 10^-6 = 5,45 ´ 10 ⁷ МэВ / г = 87,3 эрг / г.

Таким образом, энергетический эквивалент рентгена:

1Р = 2,08 ´ 10⁹ пар ионов / см ³ → 7,05 ´ 10⁴ МэВ / см³ → 0,013 эрг/см³ →

→ 1,61 ´ 10 ¹² пар ионов / г → 5,45 ´ 10 ⁷ МэВ / г → 87,3 эрг/г.

Аналогичным образом можно определить энергетический эквивалент Кулона на килограмм:

1Кл / кг = 8,07 ´ 10 ¹⁸ пар ионов / м³ → 2,73´10 ¹⁴ МэВ / м³ → 43,8 Дж /м³ →

→ 6,24 ´ 10 ¹⁸ пар ионов / кг → 2,11 ´ 10 ¹⁴ МэВ / кг → 33,8 Дж/кг

и соотношение между единицами рентген и кулон на килограмм:

число пар ионов, образованных в 1 кг воздуха:

N = 1,61 ´ 10 ¹⁵ пар ионов / кг;

Q = 4,8´ 10 ^-10 СГСЕ;

1Кл = 3 ´ 10 ⁹ СГСЕ,

тогда:

1Р = 1,61 ´ 10 ¹⁵ ´ 4,8 ´ 10 ¹⁰ / 3 ´ 10 ⁹ = 2,58 ´ 10^-4 Кл / кг.

Таким образом:

1Кл / кг = 3,88 ´ 10 ³ P;

1Р = 2,58 ´ 10 ^-4 Кл / кг.

В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,8 Гр в воздухе или 37,2 Гр в биологической ткани; для внесистемных единиц 1Р соответствует поглощенной дозе 0,873 рад в воздухе или 0,96 рад в биологической ткани.

2.6 Гамма – постоянная радионуклида

В литературе полной гамма – постоянной Г называется мощность экспозиционной дозы Р_о (Р/ч), создаваемая нефильтрованным γ- и рентгеновским излучением точечного непоглощающего изотропного радионуклида активностью А = 1 мКи на расстоянии l = 1 см.

Удобство применения на практике гамма – постоянных состоит в том, что с их помощью однозначно решается вопрос об экспозиционной мощности дозы любого гамма-источника. Если точечный непоглощающий изотропный источник имеет активность А мКи, то в воздухе на расстоянии l см мощность экспозиционной дозы Р (Р/ч) равна:

(2.8)

Биологическое действие ионизирующего излучения имеет следующие особенности: действие ионизирующего излучения на организм неощутимо человеком. У людей отсутствуют органы чувств, которые воспринимали бы ионизирующее излучение. Поэтому человек может проглотить, вдохнуть радиоактивное вещество без всяких первичных ощущений. Видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерные для лучевого заболевания, появляются не сразу, а спустя некоторое время.

Суммирование доз происходит скрытно. Если в организм человека систематически будут попадать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются и, в зависимости от величины разового ежедневного внешнего облучения и внутреннего поступления радионуклидов в организм, последствия могут быть нежелательны вплоть до лучевого поражения.

Поэтому для восприятия ионизирующего излучения служат дозиметрические приборы. Мерой потенциальной опасности является уровень радиоактивности, а реального воздействия излучения на организм человека – дозиметрические характеристики.

Величины и единицы, применяемые в области ионизирующих излучений и радиоактивности, совершенствуются и состав их расширяется в соответствии с развитием практических приложений ионизирующих излучений и результатами исследований. До введения системы СИ широкое распространение получили единицы, которые сейчас оказались внесистемными (рад, бэр, рентген и т.д.). Существенное изменение размеров единиц, необходимость использования иногда непростых коэффициентов связи между внесистемными единицами и единицами СИ могут быть причиной многочисленных ошибок. Поспешное изъятие из употребления внесистемных единиц оказалось бы ущербным для практики. Поэтому предусмотрено постепенное внедрение единиц СИ. Во всяком случае, время, в течение которого могут встречаться на практике внесистемные единицы, окажется достаточно длительным. Это требует того, чтобы специалисты и практики свободно владели как единицами СИ, так и внесистемными единицами.