Глава 2

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ И ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

В природе очень редки радиоактивные процессы, не сопровождающиеся излучением γ-квантов (таковы, например, β-распад трития или стронция-90). Чаще всего такие процессы неизменно связаны с γ-излучением. В то же время наиболее распространенные среди ионизирующих излучений фотоны рентгеновских и γ-лучей взаимодействуют со средой наиболее сложным образом. Физики различают 3 характерных процесса такого взаимодействия, вероятности которых зависят как от заряда ядер, с которыми взаимодействуют фотоны, так и от энергии квантов электромагнитного излучения.

Первый из этих процессов — фотопоглощение, или фотоэффект, открытый еще в XIX в. и детально исследованный русским физиком А. Г. Столетовым. Этот процесс состоит в том, что фотон с энергией hν, превосходящей энергию Е_к связи К-электрона в атоме, выбивает его из электронной оболочки. Возникающий при этом быстрый электрон обладает кинетической энергией

«Вакантное место» выбитого К-электрона заполняется одним из внешних электронов, и наряду с высвобожденным электроном высвечивается один или несколько фотонов характеристического излучения. Таким образом, при фотоэффекте вместо поглощенного кванта, например рентгеновского излучения, возникает быстро движущийся электрон с кинетической энергией Е_кин и один или несколько фотонов характеристического излучения (рис. 4, а). Коэффициент τ фотоэлектрического поглощения резко увеличивается по мере роста длины волны λ (в соответствии с выражением τ ~ λ³) и при переходе от легких элементов к более тяжелым (τ ~ Z⁵). Подсчитано, что при одной и той же энергии квантов массовый, т. е. отнесенный к одному грамму вещества, коэффициент фотоэлектрического поглощения в свинце приблизительно в 250 раз больше, чем в алюминии, и в 23 раза больше, чем в меди. Из приведенных данных следует, что фотоэффект является главным процессом поглощения при относительно малых энергиях ионизирующих излучений. Характерно, что этот эффект и обнаружен-то был в ходе исследований взаимодействия солнечного света с веществом, откуда и получил свое наименование (от греческого «фотос» — «свет»).

Рис. 4. Схемы фотопоглощения (а), комптон-рассеяния (б) и эффекта образования пар (в)

Второй процесс характерен для γ-квантов с энергиями порядка 1 МэВ. Этот диапазон объединяет излучение возбужденных атомных ядер самых различных процессов — естественного радиоактивного распада, искусственной радиоактивности, деления тяжелых ядер. Обладая относительно большой энергией, фотоны этого диапазона чаще всего испытывают упругое рассеяние на электронах внешних слоев атомов облучаемого вещества, которые можно считать несвязанными (известно, что, чем дальше удалена электронная оболочка от ядра атома, тем меньше энергия связи ее электронов с ядром). Поэтому процесс рассеяния фотонов средней энергии на электронах любых атомов подобен упругому соударению свободных, не связанных друг с другом твердых биллиардных шаров, тогда как фотоэффекту больше подходит аналогия пушечного ядра, выбивающего камни из кладки, связанной добротным цементным раствором.

Эффект рассеяния фотонов средней энергии на несвязанных электронах в 20-х годах детально исследовал американский физик Артур Комптон, в честь которого этот процесс назван комптон-эффектом. В таком процессе особенно выпукло проявляются корпускулярные свойства электромагнитного излучения. При комптон-эффекте часть энергии hν первичного фотона передается рассеивающему электрону, первоначально как бы находящемуся в покое. В результате такого рассеяния возникает электрон отдачи, вылетающий под углом θ к направлению движения первичного фотона, и фотон меньшей энергии hν’, рассеянный под углом φ (рис. 4, б).

Изменение энергии первичного фотона является функцией только угла рассеяния φ: при малых φ его энергия почти не изменяется; в то же время при обратном рассеянии, т. е. при φ = 180°, максимальная энергия фотона hν’ составляет 250 кэВ. Интересно, что при одинаковых углах рассеяния малоэнергетичных (120 кэВ) и высокоэнергетичных (1200 кэВ) квантов в первом случае длина волны изменится в 1,5 раза, а во втором — в 6 раз, чему соответствуют энергии рассеянных фотонов 80 и 120 кэВ. Таким образом, в случае рентгеновского излучения (даже если и произойдет маловероятный в этой области энергий комптон-эффект) фотон изменит свою энергию незначительно. Поэтому рентгеновское (и тем более γ-излучение) называют проникающим. Только изредка в результате акта комптон-рассеяния высокоэнергетичного фотона возникают быстро движущийся электрон и рассеянный γ-квант, остаточная энергия которого мала и для которого поэтому велика вероятность фотоэффекта (вспомним, что τ ~ λ³).

Поскольку при комптон-эффекте происходит рассеяние на электронах, а их число в электронных оболочках атомов равно заряду Z атомного ядра, то вероятность σ комптон-эффекта пропорциональна числу электронов в атоме, т. е. σ ~ Z. Приняв во внимание число электронов в атоме, можно считать, что при одной и той же энергии квантов массовые, т. е. отнесенные к одному грамму вещества, коэффициенты рассеяния и поглощения пропорциональны отношению Z/A. Иными словами, σ/ρ слабо изменяется от 0,5 для элементов начала таблицы Менделеева (за исключением водорода, для которого Z/A = 1,0) до 0,396—0,386 для свинца и урана. Нетрудно видеть, что вероятность комптон-эффекта почти постоянна при любой энергии фотонов и для любых атомов, т. е. нет области энергий, где этот процесс вероятнее, чем в других. Практически комптон-эффект — основной процесс взаимодействия излучения с веществом при средней энергии фотонов: примерно от 0,3—0,5 МэВ до 3—5 МэВ. При меньших энергиях квантов растет вероятность фотоэффекта, при больших — повышается и начинает доминировать вклад третьего процесса — эффекта образования пар.

В отличие от первых двух рассмотренных процессов эффект образования пар имеет энергетический порог: он не наблюдается для фотонов, энергия которых ниже Е_п = 1,022 МэВ. Численное значение этой пороговой энергии Е = 2 mc², где m и c — масса электрона и скорость света. В начале XX в. физики пришли к заключению, что в природе должны существовать процессы двух видов: в одном инертная масса переходит в электромагнитную энергию, а в другом, наоборот, поглощение энергии должно сопровождаться приращением массы. Первый из этих процессов был «опознан» в явлении радиоактивности: масса дочерних продуктов распада всегда оказывалась меньше массы материнского ядра. Их разность, преобразованная в энергию заряженных α- и β-частиц и электромагнитное γ-излучение, таким образом, подтвердила всеобщность закона сохранения энергии.

В конце 30-х годов, когда немецкие физики Отто Хан и Фриц Штрассман открыли явление деления тяжелых ядер, стало очевидно, что масштаб выделения энергии в этом процессе в сотни раз превосходит присущий радиоактивному распаду: при делении «рыхлые», переобогащенные нейтронами тяжелые ядра превращаются в прочно связанные ядра элементов середины таблицы Менделеева. Чем больше разность масс исходного и конечного продуктов ядерной реакции, тем больше выделение энергии. Создание сначала атомного оружия, а затем ядерных реакторов, уже более 30 лет вырабатывающих электроэнергию на АЭС, стало новым практическим подтверждением справедливости формулы эквивалентности массы и энергии.

Рис. 5. Массовый коэффициент ослабления γ-излучения для свинца и вклад различных процессов: τ — фотоэффект; σ — комптон-эффект; χ — эффект образования пар.

Обратный процесс долгое время представлялся невозможным. Экспериментальное обнаружение эффекта образования пар явилось триумфом предвидения физиков-теоретиков. Выяснилось, что в тех случаях, когда энергия фотона больше пороговой Е_п, возможен достаточно редкий, но не запрещенный законами природы еще один процесс поглощения энергии. Высокоэнергетичный квант электромагнитного излучения в поле ядра превращается в две античастицы — электрон и его положительный аналог позитрон. Разность между энергией поглощенного фотона и порогом преобразуется в кинетическую энергию возникающих заряженных частиц и поровну делится между электроном и позитроном, разлетающимися в противоположных направлениях (рис. 4, в).

Поэтому линейный коэффициент поглощения за счет образования пар (т. е. в расчете на 1 см толщины поглотителя) в свинце в 22 раза больше, чем в алюминии. По величине же массового коэффициента, т. е. в расчете на 1 г вещества, свинец в 5 раз эффективнее алюминия. Быстро нарастая с энергией, эффект образования пар на ядрах свинца превосходит вклад комптон-эффекта уже при 3,5 МэВ (рис. 5), у более легкого алюминия это происходит при значительно большей энергии — при 15 МэВ. Здесь уместно отметить, что при взаимодействии γ-квантов средней энергии с воздухом доминирует комптон-эффект, поскольку для атомов этой среды фотоэффект существен при Е < 20 кэВ, а эффект образования пар — при Е > > 20 МэВ.

В результате каждого из трех описанных процессов взаимодействия излучения с веществом в облучаемой среде возникает большое число быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации атомов вещества. Энергия, поглощаемая при этом облучаемой средой, определяет радиационный эффект. К рассмотрению количественных величин, характеризующих этот эффект, мы теперь и приступим. Первая характеристика из использовавшихся в практической дозиметрии, можно сказать, «лежит на поверхности» — это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с проникающим рентгеновским излучением, распространяющимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения многие годы применяли результат измерения ионизации воздуха вблизи рентгеновских трубок или аппаратов. Единицей таких измерений условились считать количество пар ионов, которые излучение образует в 1 см³ сухого воздуха, находящегося при атмосферном давлении и при обычной комнатной температуре (+18°С). Позднее было установлено, что такой единице экспозиционной дозы, названной рентгеном, соответствует 2,08 * 10⁹ пар ионов, т. е. примерно два миллиарда пар ионов в 1 см³ воздуха. Таким образом, можно сказать, что

Полезно запомнить удобное правило, часто применяемое в практической дозиметрии:

Пока величину Д_э использовали для сопоставления полей рентгеновского излучения и свойств его генераторов, разногласий не возникало. Однако вскоре после открытия этого нового проникающего излучения было выявлено и вредное, и полезное (терапевтическое, лечебное) действие больших доз Х-лучей, как называл их В. Рентген до конца своей жизни. Возникли также понятия переносимой и допустимой доз облучения. Все это потребовало расширения границ рентгенметрии на новые области применения рентгеновского излучения.

Поначалу с этими задачами удавалось справляться в силу двух причин. Во-первых, в те годы рентгеновские аппараты изготовляли на небольшое ускоряющее напряжение, и поэтому при воздействии на организм человека облучение затрагивало только внешние, покровные мягкие ткани. Во-вторых, по счастью, эффективные атомные номера воздуха (7,64) и мягких тканей (7,42) практически совпадают. Это означало, что относительный вклад фото- и комптон-эффектов, в основном ответственных за ионизацию атомов этих веществ, одинаков и в воздухе, и в облучаемых тканях. Поэтому, измеряя ионизационный эффект в воздухе и характеризуя таким образом поле рентгеновского излучения в интересующей нас зоне пространства, можно вполне корректно оценивать ионизацию мягкой ткани, помещенной в эту зону. Принципиальную возможность такого пересчета обосновали английские физики Брэгг и Грей, показавшие, что при постоянстве Z_эфф величина ионизации воздуха в полости среды не зависит от плотности этой среды. Использование рентгенметров допустимо также и в тех случаях, когда приходится оценивать степень радиационной опасности на местности, загрязненной смесью радионуклидов с умеренной энергией γ-квантов (не выше 3 МэВ). Например, после аварии на ЧАЭС местность была загрязнена смесью продуктов деления с эффективной энергией порядка 0,8—1,0 МэВ. В таких условиях использование рентгенметров было вполне оправдано, они давали правильные показания.

По мере повышения напряжения на рентгеновских трубках до 140—250 кэВ для облучения более глубоко лежащих очагов заболеваний и в связи с попытками лечения костных новообразований выяснилась ограниченность понятия Д_э. При одной и той же величине Д_э, в одном и том же поле излучения радиационный эффект оказывался разным в мягкой и плотной (костной) тканях. Причина достаточно ясна — более высокое значение Z_эфф костной ткани (13,8) в сравнении с мягкими тканями и воздухом вызывало образование большего числа фотоэлектронов и большую передачу энергии. В качестве меры глубинных доз и радиационного воздействия проникающих излучений было предложено определять энергию, поглощенную облучаемым веществом.

В практической дозиметрии рассматривают объем вещества ~ 1 см³ или массу ~ 1 г, в которых содержится большое число атомов, и можно пренебречь микро-флуктуациями энергии, поглощенной веществом. Именно это понятие и лежит в основе радиационной дозиметрии:

Из приведенных определений однозначно следует, что поглощенная доза — универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля ионизирующего излучения и среды, на которую оно воздействует, т. е. облучения. Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект.

Один из примеров зависимости радиационного эффекта от дозы облучения — почернение фотопленки в поле рентгеновского излучения. Всем нам приходилось сталкиваться с рентгеноскопией больного зуба или внутренних органов и костей конечностей. Отличающиеся значительно большей плотностью (1,85 г/см3) кости поглощают фотоны сильнее, чем прилегающие мягкие ткани с плотностью ~1 г/см3, поэтому на пленке возникает скрытое (а после проявления — контрастное) изображение с различной степенью почернения зон мягких тканей и кости и совсем непочерневших в области, затененной, скажем, металлической коронкой.

Используя индивидуальную дозиметрию на основе фотоэмульсий или конденсаторных камер, физики 40— 50-х гг. организовали достаточно удобную систему контроля за радиационной обстановкой на ядерных объектах: каждый работник, соприкасающийся с полем излучения, снабжается индивидуальным дозиметром, показания которого периодически считывают (от 1 раза в сутки до 1 раза в неделю в зависимости от уровня облучения). К этому начальному периоду создания служб радиационной безопасности радиобиологи обосновали значения допустимых поглощенных доз для организма человека. Казалось, система замкнута — если радиационно-опасные работы организованы так, что показания дозиметров не превышают допустимых значений, радиационная безопасность персонала обеспечена.

К сожалению, действие ионизирующих излучений на живой организм оказалось сложнее, чем последствия облучения сравнительно простых и даже более сложных, но неживых веществ. Выяснилось это при трагических обстоятельствах: у значительной части физиков, в течение ряда лет проводивших опыты на циклотронах, было обнаружено профессиональное помутнение хрусталика. Эти лучевые катаракты развились у них в условиях умеренных поглощенных доз, не превышавших допустимых значений.

Изучение таких отдаленных последствий облучения организма привело к заключению, что радиобиологический эффект зависит не только от поглощенной дозы, т. е. энергии, переданной облучаемому веществу, но и от нескольких модифицирующих факторов. Первым среди них была выявлена линейная плотность ионизации, т. е. количество пар ионов, образуемых излучением на единице пути, например в 1 мкм.

Для процесса ионизации среды при движении через нее электронов — легких отрицательно заряженных частиц — характерно, что пары ионов вдоль траектории возникают не сплошной «дорожкой», а на значительном расстоянии друг от друга, образуя своего рода пунктир. Иная картина характерна для движения тяжелых заряженных частиц, протонов, образующихся в водородосодержащих веществах, например в тканях человека, при воздействии на них нейтронов.

Обладая, как и электрон, единичным электрическим зарядом, протон в 1836 раз тяжелее его. Поэтому при движении быстрого протона плотность ионизации, т.е. число пар ионов на единице пути в облучаемой среде, на много порядков выше, чем в случае быстрого электрона. Расположенные близко друг к другу ионы, возникающие вдоль траектории протона, образуют сплошной «чулок», экранирующий внутреннюю ее часть от внешней среды. Быстрый протон сталкивается почти с каждым атомом среды на своем пути, тогда как электрон «скачет» от одного столкновения к другому, минуя сотни атомов, остающихся неионизованными.

По современным радиобиологическим представлениям, защитные механизмы, в частности атомы кислорода, предохраняющие живую ткань от вредных эффектов облучения, лишены возможности действовать внутри трека тяжелой частицы. Поэтому при одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Для количественной оценки этого влияния потребовалось ввести понятие коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ), или коэффициента качества (КК) излучения:

Так, при изучении лучевых катаракт на кроликах было показано, что доза, при которой катаракты развиваются при воздействии γ-излучения, ~ 200 рад, а при воздействии быстрых нейтронов, характерных для залов ускорителей, ~ 20 рад. Отсюда для быстрых нейтронов КК = 10.

Из приведенного частного примера ясно, что поглощенная доза нейтронов может быть эквивалентна поглощенной дозе γ-излучения только с учетом коэффициента ОБЭ (КК). Так в радиационной дозиметрии появилось новое понятие «эквивалентная доза».

Коэффициент качества ионизирующего излучения (КК) по определению равен единице для γ-излучения, для β-излучения — 1, для протонов и быстрых нейтронов — от 3 до 10, для α-частиц — 20.

Рассматривая численные значения коэффициента качества, нетрудно увидеть, что в наиболее часто встречающихся случаях смеси β- и γ-излучений для практических целей применимы понятия поглощенной дозы и результаты измерения Д_п с помощью дозиметров, поскольку в этих случаях дозы β- и γ-излучений можно просто суммировать. При использовании фильтров для поглощения β-частиц в таком смешанном поле β- и γ-излучений или в поле «чистых» γ-излучателей допустимо применение понятия экспозиционной дозы и результатов измерений Д_э с помощью рентгенметров. В частности, при радиационной разведке местности, загрязненной после аварии ядерного реактора смесью β- и γ-активных продуктов деления, использование значения мощности дозы Р_γ в единицах мР/ч или мкР/с вполне допустимо и корректно.

Кстати, доза Д и мощность дозы Р связаны соотношением Д = Р*Т, где Т — продолжительность пребывания в данном поле ионизирующего излучения. Данные, практически удобные для пересчета Р и Т в дозу Д, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Доза облучения Д (мбэр) в зависимости от времени пребывания в поле излучения мощностью дозы Р (мбэр/ч) (10³ мбэр = 1 бэр)

Теперь, когда мы познакомились с эквивалентной дозой — последним понятием радиационной дозиметрии и радиобиологии, эту систему можно считать замкнутой. В заключение раздела резюмируем смысл каждого понятия и область его применения (рис. 6).

Радиационную опасность используемого радиоактивного вещества удобно оценивать по активности, выраженной в кюри или беккерелях (последняя единица исключительно мала и поэтому практически неудобна; обычно ее применяют при измерениях проб внешней среды, удельная и суммарная активность которых, как правило, незначительно отличается от фоновой, обусловленной естественными радионуклидами). Зная активность источника, можно рассчитать мощность экспозиционной дозы на разных расстояниях от него и таким образом определить, например, допустимое время пребывания в этом поле.

Экспозиционная доза характеризует поле излучения по его ионизирующей способности, которая обусловлена характером радиоактивного вещества или другого источника ионизирующего излучения. Для перехода от экспозиционной дозы (характеристики поля) к поглощенной дозе (характеристике взаимодействия поля и облучаемой среды) необходимо знать свойства этой среды. При одной и той же экспозиционной дозе, т. е. одном и том же поле, воде будет передана меньшая энергия, чем веществу середины таблицы Менделеева и тем более тяжелым элементам. Поглощенная доза, т. е. энергия, поглощенная единицей массы вещества, на которое действует поле излучения, характеризует радиационный эффект для всех видов физических и химических тел, кроме живых организмов.

Для оценки действия излучения на живые организмы, в первую очередь человека, предложена и используется эквивалентная доза облучения. В ряде простых и практически часто встречающихся случаев вместо Д_экв допустимо использование Д_э и Д_п. Для смеси излучений при внешнем и особенно при внутреннем облучении только использование Д_экв позволяет избегать ошибок в оценке степени радиационной опасности облучения.

Рис. 6. Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта и единиц их измерения.

Сноска 1: Аббревиатура от английских слов «radiation absorbed dose», т. е. «поглощенная доза излучения».

Сноска 2: Эта непривычная, на практике еще мало употребляемая единица названа в честь упомянутого выше физика Грея.

Последнее изменение Tue, 19 Jun 2012 автором Dimouse

0 comments

Name (required)

Email (will not be published; required)

Website

Please insert the result of the arithmetical operation from the following image:

=