Керма и поглощенная доза

Понятие "Керма" было введено для косвенно ионизирующего излучения, чтобы определять количество кинетической энергии передаваемой при взаимодействии этим излучением заряженным частицам в среде. Отсюда следует и определение, и название величины (сокращение от англ.- Kinetic Energy Released per unit MAss).

Керма К – отношение суммы первоначальных кинетических энергий заряженных частиц dE_tr, образованных при взаимодействии косвенно ионизирующего излучения с веществом в элементарном объеме, к массе этого объема dm:

. (1.28)

Единицей измерения кермы в СИ является Дж/кг, она имеет специальное название – грей (Гр). Часто используемой внесистемной единицей является рад (1рад = 0,01 Гр). Рассмотрим подробнее понятие кермы применительно к γ-излучению.

Между кермой и флюенсом энергии для моноэнергетического γ-излучения существует простое соотношение:

(1.29)

где – массовый коэффициент передачи энергии для данной среды и данной энергии фотонов (см. далее).

Большая часть первоначальной энергии электронов, получаемых ими в результате взаимодействия фотонов в средах с низким атомным номером (воздух, вода, биологическая ткань), тратится на неупругие столкновения (ионизация и возбуждение) с атомными электронами. Некоторая часть этой энергии в результате радиационных взаимодействий с ядрами атомов трансформируется в тормозное излучение. Таким образом, керму можно разделить на две части:

К = К_ион + К_рад, (1.30)

где К_ион , К_рад – ионизационная и радиационная части кермы.

Эти части связаны с флюенсом энергии фотонов следующими соотношениями:

(1.31)

и

, (1.32)

где – массовый коэффициент истинного поглощения энергии фотонов, усредненный по спектру флюенса энергии (см. далее);

–средняя доля энергии электрона, теряемая на тормозное излучение и усредненная по спектру флюенса энергии фотонов. Для материалов с низким Z и энергией фотонов Е 1 МэВ величина g0 и соответственно К ≈ К_ион.

Поглощенная доза представляет собой отношение средней энергии dE, поглощенной в элементарном объеме среды, к массе dm этого объема:

. (1.33)

Единицей измерения поглощенной дозы в СИ так же, как и кермы является грэй (Гр), который соответствует поглощению энергии 1 джоуль в 1 килограмме облученного вещества. В ядерной медицине и лучевой терапии в качестве среды выступают обычно биологическая ткань или близкая к ней по физическим свойствам вода. В дальнейшем, если не будет уточнений, под термином поглощенная доза (или просто доза) будет пониматься поглощенная доза в воде.

Заметим, что электроны, образующиеся при взаимодействии фотонов с веществом и, фактически, определяющие величину поглощенной дозы, имеют конечные пробеги. Поэтому энергия, передаваемая γ-излучением в среду, поглощается не локально, а в некоторой окрестности точки взаимодействия. Кроме того, часть энергии может уноситься тормозным излучением. Все это приводит к достаточно сложной связи между кермой и поглощенной дозой. В условиях существования электронного равновесия, когда энергия, вносимая заряженными частицами в элементарный объема равняется энергии, выносимой заряженными частицами из объема, справедливо следующее соотношение:

. (1.34)

В некоторых случаях на практике используется (хотя это не рекомендуется ГОСТами) также понятие экспозиционная доза или экспозиция. Экспозиционная доза определяется как отношение полного количества ионов одного знака dQ, образующихся в элементарном объеме воздуха после завершения всех процессов ионизации, к массе dm этого объема:

. (1.35)

Единицей измерения экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм, Кл/кг. Внесистемной, часто используемой единицей является рентген (1 Р = 2.58·10^-4 Кл/кг).

Экспозиционная доза представляет ионизационный эквивалент ионизационной части кермы в воздухе. Их связь выражается следующей формулой:

, (1.36)

где – средняя энергия, требующаяся для образования пары ионов в воздухе.