Физические основы дозиметрии

Ионизация – это явление (процесс) образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Ионизирующее излучение – потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул.

Ионизирующие излучения делятся на фотонные (электромагнитные) и корпускулярные (поток частиц), а по механизму воздействия на вещество они могут быть непосредственно или косвенно ионизирующими.

Фотонное излучение представляет coбой электромагнитное излучение – это гамма-излучение, рентгеновское и тормозное излучение. Фотонное излучение имеет такую же природу образования, как и видимый свет или радиоволны, но отличается от них только меньшей длиной волны или большей жесткостью. С возрастанием частоты энергия квантов электромагнитного поля (фотонов), а следовательно, и их разрушительное влияние на молекулы вещества возрастает. Длина волны l рентгеновского излучения лежит в диапазоне от 10–100 нм до 0,01–1 пм, а гамма-излучения – менее 0,1 пм. Энергия фотонов связана с их волновыми характеристиками соотношениями e = hn = hc / l, где h – постоянная Планка; с – скорость света; n – частота. Отсюда следует, что энергия рентгеновских квантов лежит в диапазоне от 10–100 эВ до 1–100 МэВ, а g-квантов – более 10 кэВ.

Корпускулярное излучение – это потоки элементарных частиц, имеющих массу отличную от нуля. Большинство из них – заряженные корпускулы: бета-частицы (b^– – электроны и b⁺ – позитроны), протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра тяжелого водорода – дейтерия), альфа-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы – ядра других элементов, которые получили высокую энергию в специальных ускорителях. Кроме того, к корпускулярным излучениям относятся и нейтроны – ядерные частицы, не имеющие заряда и опосредованно вызывающие ионизацию.

Движущаяся частица или фотон оказывают ионизирующее влияние на вещество. Для описания этого взаимодействия рассматривают некоторый цилиндрический объем (рис. 6.1), охватывающий траекторию частицы. Площадь поперечного сечения S этого объема определяется эффективным сечением взаимодействия движущейся частицы с частицами вещества.

Рис. 6.1. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Это сечение зависит от наличия заряда у частицы излучения. Заряженная частица посредством кулоновской силы взаимодействует с достаточно удаленными частицами вещества. Сечение взаимодействия такой частицы прямо пропорционально квадрату зарядового числа z частицы (заряд частицы, выраженный в единицах заряда электрона), оно убывает с возрастанием ее скорости υ, т. е. S ~ z² / f(υ), где f(υ) – возрастающая функция скорости, вид которой для тяжелых (протоны, a-частицы) и легких (электроны) частиц различен. Взаимодействие тем сильнее, чем больше заряд частицы. Излучение, состоящее из заряженных частиц, носит название непосредственно ионизирующего. Эффективное сечение для фотонов и незаряженных частиц сравнительно невелико. Выбитые из атомов электроны, становятся источниками непосредственной ионизации. Поэтому излучение, состоящее из незаряженных частиц и фотонов, называют косвенно ионизирующим.

Убыль кинетической энергии заряженных частиц (–dЕ) на ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества, отнесенная к единице длины пути (–dE/dx), называют ионизационными или тормозными потерями. Тормозные потери пропорциональны числу частиц вещества, заключенных в цилиндре единичной длины, и площади поперечного сечения, равной сечению взаимодействия (см. рис. 6.1), т. е. (–dE / dx) ~ n×S, где n – концентрация частиц вещества. Учитывая, что n ~ r, a S ~ z² / f(υ), получим

–dE / dx ~ z²r / f(υ), (6.1)

где z, υ – соответственно зарядовое число и скорость фотона; r – плотность вещества.

Потеряв энергию, частица останавливается. Расстояние R, пройденное частицей в веществе, называется пробегом.

Пробег определяется формулой

, (6.2)

где Е₀ – энергия частицы до попадания в вещество.

Чтобы получить окончательное выражение для R, приближенно можно положить f(υ) ~ υ². Учитывая, что mυ² / 2 = Е, получим (–dE / dx) = = mz²r / E и

R~ ~ ~ , (6.3)

где υ₀ – начальная скорость ионизирующей частицы; m – масса ионизирующей частицы.

Из (6.3) следует, что пробег частиц быстро растет при увеличении их начальной скорости (либо энергии) и убывает при увеличении зарядового числа и плотности среды.

Энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов, называется потенциалом ионизации данного вещества или средней энергией ионообразования. Потенциал ионизации воздуха составляет 33–35 эВ.

Количество пар ионов, образованных в среде фотоном(гамма-квантом) или частицей на единице пути называется линейной плотностью ионизации (ЛПИ), которая характеризует ионизирующую способность излучения.

Скоростидвижения альфа-частиц в воздухе имеют значения в интервале от 14 000 до 22 500 км/с. ЛПИ альфа-частиц в воздухе составляет 25–30 тыс. пар ионов/см пути, а за 3–4 мм до конца пробега ее ионизирующая способность достигает максимума – около 65 тыс. пар ионов/см пути. Если начальная энергия альфа-частицы составляет 4–9 МэВ и на каждый акт ионизации затрачивается в среднем 34 эВ, то на всем пути в воздухе образуется 100–300 тыс. пар ионов. Если альфа-частица полностью израсходует свой запас кинетической энергии, то присоединяет к себе два электрона и превращается в нейтральный атом гелия.

Скоростьдвижениябета-частиц в воздухе составляет 250 000–270 000 км/с. ЛПИ бета-частиц в воздухе в сотни раз меньше, чем альфа-частиц и составляет примерно 100–300 пар ионов/см пути.

Гамма-кванты не имеют ни заряда, ни массы покоя и поэтому распространяются в воздухе со скоростью света (300 000 км/с). ЛПИ гамма-квантов в воздухе в тысячи раз меньше, чем ЛПИ альфа-частиц и составляет 2–3 пары ионов/см пути.

Пробеги в воздухе альфа-частиц в зависимости от энергии составляют 2,5–8,6 см, максимум – 11,5 см, а в органической ткани – 70–110 мкм (0,07–0,11 мм). Даже тонкого листа бумаги достаточно, чтобы альфа-частицы полностью поглотились.

Пробеги в воздухе бета-частиц в сотни раз больше, чем у альфа-частиц и в зависимости от энергии составляют от нескольких миллиметров до 44 м, в органической ткани – максимум 55,4 мм.

Пробеги в воздухе гамма-квантов составляют десятки и сотни метров. Например, средняя длина пробега гамма-кванта с энергией 1 МэВ составляет в воздухе 122 м, а в тканях человека 14 см.