1.1. Физические величины и единицы

Для описания окружающих его предметов и явлений (процессов) человек вводит (определяет) различные физические величины. Согласно ГОСТ 16263-70 под физической величиной понимается «свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта».

Для того, чтобы можно было установить различия в количественном содержании в каждом объекте свойства, отображаемого данной физической величиной, вводится понятие размера физической величины.

Таким образом, измерения есть совокупность действий, совершаемых для количественного сравнения опытным путём конкретного количества данной физической величины с единицей этой величины, т. е. конкретным количеством физической величины того же вида, которому условно приписано числовое значение, равное единице. Цель измерений — получение числового значения измеряемой величины.

Среди всех известных физических величин можно выбрать несколько в качестве независимых величин и установить для них независимые единицы измерений. В этом случае остальные величины могут быть выражены через независимые либо на основании законов, устанавливающих взаимосвязь между независимыми величинами, либо на основании определений физических величин. Независимые величины получили название основных физических величин, а величины, выражаемые через них, — производных физических величин. Соответствующие единицы измерений называют основными и производными.

Принятая в настоящее время система величин включает в себя семь основных (длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света), две дополнительных (плоский угол и телесный угол) и большое количество производных величин. Все величины, характеризующие ионизирующие излучения, являются производными.

РД 50-454-84 делит радиационные величины на четыре группы:

  • величины, характеризующие ионизирующее излучение и его поле;
  • величины, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом;
  • дозиметрические величины;
  • радиационные величины, характеризующие источники ионизирующих излучений.

Отметим разную роль, отводимую величинам, определенным в этом документе. Некоторые величины используются как главные, характеризующие на окончательном этапе источники и поля излучений. Значения их приписываются различным видам изотопной продукции и радиационной технике. Эти величины служат основной мерой воздействия излучения на различные объекты.

Другие величины являются вспомогательными и используются в процессе расчетной или экспериментальной оценки основных величин. Такое деление, однако, условно, т. к. при решении разных задач некоторые величины могут выступать и в качестве главных и как вспомогательные.

Приведем определения некоторых величин, характеризующих ионизирующее излучение и его поле, используемых во всех разделах метрологии ионизирующих излучений. Специальные величины, применяемые в радиометрии, дозиметрии и нейтронных измерениях, будут рассмотрены в соответствующих главах.

Поток ионизирующих частиц определяется как отношение числа ионизирующих частиц , проходящих через данную поверхность за интервал времени , к этому интервалу:

(1.1).

Потоком ионизирующих частиц обычно характеризуют различные радионуклидные источники излучений. В этом случае под поверхностью, входящей в определение величины, понимают замкнутую поверхность, внутри которой находится источник, излучающий, например, фотоны или нейтроны во всех направлениях. Для α- и β-источников на плоских подложках это есть поверхность рабочей части источников. Иногда под потоком частиц понимается число частиц, выходящих в единицу времени из источника, снабженного специальным коллиматором.

Плотность потока ионизирующих частиц определяется как отношение потока частиц , проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения этой сферы:

(1.2).

Эта величина используется для характеристики поля излучения в некоторой его точке, если нас не интересует направление распространения излучения и если энергия отдельных частиц либо известна, либо ее знание несущественно для решения задачи.

Плотностью потока ионизирующих частиц оценивается, например, равномерность нанесения α- и β-радиоактивных веществ на плоские источники. Этой же величиной оценивается степень загрязненности поверхностей радионуклидами при контроле за безопасностью работ с источниками ионизирующих излучений.

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц определяется как отношение числа ионизирующих частиц , проникающих в элементарную сферу, к площади поперечного сечения этой сферы:

(1.3)

или как интеграл от плотности потока частиц за время

(1.4).

Эта величина может в некоторых случаях характеризовать степень облучения объектов, помещенных в поле облучения с плотностью потока частиц . Для более подробного описания поля излучения используется энергетическо-угловая плотность потока ионизирующих частиц, определяемая как отношение плотности потока частиц с энергией от до , распространяющихся в пределах элементарного угла , ориентированного в направлении , к энергетическому интервалу и этому телесному углу:

(1.5).

Единицы перечисленных выше величин образуются из единиц телесного угла, энергии, площади и времени. Единицей телесного угла является стерадиан (ср). Для энергии отдельных частиц в соответствии предпочтительной единицей является электрон-вольт (эВ, кэВ, МэВ, ГэВ). Если строго следовать правилам образования производных единиц, в качестве единицы площади необходимо использовать только квадратный метр (м2), если она стоит в знаменателе производной единицы. Это, однако, неудобная единица, поскольку характеристики поля излучения измеряются в пространствах, характерным размером которых являются сантиметры. Поэтому предпочтительной единицей площади для этих величин является квадратный сантиметр (см2). Как правило, единицей времени выбирается секунда (с). Исключением является плотность потока частиц, характеризующая степень радиоактивной загрязненности поверхностей, где в качестве единицы времени рекомендуется использовать минуту (мин). В НРБ-99 числовые значения допустимых уровней радиоактивного загрязнения поверхностей приводятся в частицах, испускаемых в минуту с сантиметра квадратного поверхности, которые легко запоминаются.

Практическое внедрение единиц СИ сталкивается с трудностями, связанными с отказом от применения так называемых счетных единиц, которые входят, в частности, в единицы определенных выше характеристик поля излучения. Вместо потока или плотности потока определенных частиц, например, нейтр/с или α-част./(см2·с) необходимо писать с–1 и см–2·с–1, а конкретизацию того, какие частицы имеются в виду, выносить в текст. К еще большим неудобствам приводит нанесение на шкалы радиометров единиц см–2·с–1 без указания на шкале, какой вид частиц регистрируется. Противники использования счетных единиц выдвигают два основных возражения. Первое заключается в том, что частицы, нейтрон и т. д. являются объектами, а не величинами; второе — в том, что придется вводить в систему единиц большое количество новых. Распады, электроны и др.- это явления или объекты, но число их — уже величина, правда счетная, т. е. выражаемая только целыми числами. Однако и упомянутые выше характеристики поля излучения могут иметь какие угодно целые, дробные и даже трансцендентные значения. В этом отношении рассматриваемые характеристики ничем не отличаются от обычных физических величин. Поскольку счетные единицы инвариантны по отношению ко всем возможным системам единиц, вводить их в систему единиц нет необходимости. Таким образом, проблема сводится по существу лишь к способу написания этих единиц.

Выбор величин, характеризующих объект или процесс, определяется практикой. По мере накопления знаний об окружающих нас явлениях меняются величины, описывающие эти явления, особенно в таких новых областях, как ионизирующие излучения и их взаимодействие с веществом. Идет поиск величин, которые,

  • во-первых, наиболее адекватно описывали бы явления или процессы и,
  • во-вторых, допускали бы максимально простую процедуру их оценки.

Эволюция радиационных величин дает следующий пример этому. Как указывалось выше, знание энергетическо-угловой плотности потока ионизирующих частиц в некоторой области пространства (в каждой ее точке) для всех присутствующих видов излучений, их энергий и направлении распространения частиц позволяет в принципе достаточно полно описать степень воздействия этого излучения на любой объект, помещенный в эту область пространства, если известны константы взаимодействия излучения с атомами объекта. Тем не менее, когда необходимо было определять степень воздействия γ- или рентгеновского излучения на объекты, была введена физическая величина — мощность экспозиционной дозы. Эта величина явилась интегральной, однозначно определяемой энергетически-угловой плотностью потока фотонов. На определенном уровне требований к описанию; степени воздействия излучений на вещество она оказалась вполне адекватной, а процедура ее оценки была несравненно более простой, чем определение энергетически-угловой плотности потока фотонов.

В дальнейшем по мере углубления наших сведений о воздействии различных видов ионизирующих излучений на объекты разной природы возникла необходимость введения новых физических величин, характеризующих степень этого воздействия. После недолго просуществовавших величин: физический эквивалент рентгена (фэр) и биологический эквивалент рентгена (бэр) были введены такие величины, как поглощенная доза и эквивалентная доза, более адекватно описывающие степень воздействия излучений на объекты, в том числе на человека. Процесс формирования новых дозиметрических величин в настоящее время продолжается.