Какой вид излучений относится к фотонному излучению. Ионизирующие излучения Единицы доз излучения

Ионизирующее излучение (ИИ) – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков. Излучение считается ионизирующим, если оно способно разрывать химические связи молекул. Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.

Радиоволны, световые волны, тепловая энергия Солнца не относятся к ионизирующим излучениям, так как они не вызывают повреждения организма путем ионизации.

Корпускулярное – это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы).

Фотонное – это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфа-излучение – это поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину несколько сантиметров, в биологической ткани – на глубину доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета-излучение – это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-частиц, но проникающая способность во много раз больше, и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Бета-излучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение – это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа и бета-излучением.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в пределах 0,025 –300 МэВ.

Гамма-излучение – электромагнитное излучение (длина волны 10 –10 –10 –14 м), возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде, аннигиляции частиц и при возбуждении атомов и их ядер, торможении частиц в электрическом поле. Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Большинство гамма-квантов проходит через биологическую ткань, и только незначительное количество поглощается телом человека.

Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое, как и гамма-излучения.

Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Аннигиляционное излучение – фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Электронные ускорители и рентгеновские установк и. При прохождении заряженных частиц в электромагнитном поле с ускорением или замедлением энергия частицы теряется в виде тормозного фотонного излучения. На этом принципе основано получение пучков фотонного излучения при торможении электронов, испущенных катодом рентгеновской трубки и ускоренных электрическим полем между катодом и анодом, на мишени.

На рис.5.10 приведена примитивная схема рентгеновского аппарата, демонстрирующая сказанное.

Рис.5.10. Примитивная схема рентгеновского аппарата.

Мощность такого источника фотонов определяется током электронов, напряжением между катодом и анодом, материалом и толщиной мишени и находится в диапазоне от 10 5 до 10 14 с -1 . Приближенно мощность источника может быть выражена формулой:

J ~ i Z V 2 (5.34),

в которой i – ток на трубке, Z - атомный номер материала мишени, V – напряжение на трубке.

Энергетическое распределение испускаемых мишенью фотонов является непрерывным в диапазоне от 0 до энергии ускоренных электронов и имеет вид, подобный приведенному на рис.5.11.

Рис.5.11. Энергетические спектры рентгеновского излучения из вольфрамовой мишени при различных напряжениях на трубке.

На фоне непрерывного спектра тормозного излучения, характеризуемого максимальной энергией фотонов, равной энергии ускоренных электронов, четко выделяются моноэнергетические кванты характеристического излучения материала мишени, которые по амплитуде превышают амплитуду тормозного излучения, а положение их по энергии зависит от материала мишени.

Принципиальная разница между линейным ускорителем электронов и рентгеновской установкой состоит лишь в энергии ускоренных электронов, которая в рентгеновских аппаратах обычно не превышает 400 кэВ , а на ускорителях достигает десятков МэВ . Это проявляется и в спектре тормозного излучения, примерный вид которого для электронов показан на рис.5.7. Для практики расчетов защиты от тормозного излучения ускорителей электронов часто показанное спектральное распределение заменяют моноэнергетическим с эффективной энергией равной 2/3Е е при энергии ускоренных электронов Е е <1,7 МэВ ; 1/2 Е е при Е е в диапазоне 1,7 – 10 МэВ , 5 МэВ при Е е =10-15 МэВ и 1/3 Е е при Е е >15 МэВ.

Помимо разницы в спектрах фотонного излучения этих установок наблюдается и разница в угловом распределении испускаемых фотонов (рис.5.12).

Рис.5.12. Угловое распределение фотонов, вылетающих с мишени ускорителя при разных ускоряющих напряжениях

На ускорителях фотоны, как правило, летят в направлении первичного пучка электронов, на рентгеновском аппарате при низких напряжениях на трубке в направлении перпендикулярном первичному пучку.

Следует отметить еще одну особенность электронных ускорителей на высокие энергии. Если энергия тормозного фотонного излучения превышает энергию связи нейтронов в ядре материала мишени или конструкционных элементов, то возникает по реакции (γ,n) мощное сопутствующее нейтронное излучение, которое порой определяет радиационную обстановку вблизи ускорителя.

Реактор, как источник фотонов . Источники фотонного излучения на ядерном реакторе различаются как по природе их образования, так и по характеристикам испускаемого излучения. Можно выделить следующие основные группы фотонов реактора: мгновенное гамма-излучение, гамма-излучение продуктов деления, захватное гамма-излучение, гамма-излучение неупругого рассеяния нейтронов и активационное гамма-излучение.

Мгновенное гамма-излучение представляет собой гамма-кванты, испускаемые в процессе деления тяжелого ядра и распаде короткоживущих продуктов деления, т.е фотонное излучение испускаемое за время t<5·10 -7 с после реакции деления. Суммарная энергия этого гамма-излучения составляет примерно 7 МэВ/деление , спектр испускаемых квантов спадающий с ростом энергии и имеет непрерывное распределение по энергии до энергии примерно 7,5 МэВ со средней энергией фотонов 2,5 МэВ . Это излучение образуется в активной зоне реактора непосредственно во время его работы.

Гамма-излучение продуктов деления ядерного топлива обусловлено гамма-излучением радионуклидов, накапливаемых в топливе в процессе работы реактора как непосредственно в процессе деления, так и за счет радиоактивного распада этих продуктов и захвата нейтронов образовавшимися продуктами деления. В целом образуется около 1000 радионуклидов - продуктов деления, каждый из которых имеет спектр дискретных энергетических линий гамма-квантов и свой период полураспада. Обилие радионуклидов с разными периодами распада и наличие многих гамма-переходов в их схемах распада формирует практически непрерывный спектр гамма-излучения продуктов деления, изменяющийся в зависимости от времени работы реактора и времени его остановок. Активности продуктов деления в любой момент времени могут быть вычислены на основе данных о независимых или кумулятивных выходах продуктов деления и поперечных сечениях реакций, приводящих к их образованию. Примерно через год выдержки основной вклад в суммарный спектр вносят фотоны в энергетическом диапазоне от 0,5 до 0,9 МэВ со средней энергией 0,8 МэВ и суммарной энергией примерно 7,5 МэВ/деление .

Захватное гамма-излучение возникает при захвате нейтронов, как в материале топлива, так и в конструкционных элементах реактора, что приводит к тому, что оно образуется не только в активной зоне реактора, но и в окружающих ее конструкциях, в том числе в биологической защите реактора. Если в первом приближении считать, что в процессе деления 235 U тепловыми нейтронами образуется 2,43 нейтр./деление, один из которых используется для самоподдерживающейся реакции деления, то примерно 1,43 нейтрона захватываются с образованием захватного гамма-излучения. Учитывая тот факт, что поперечные сечения захвата нейтронов конструкционными элементами реактора имеют максимальные значения для нейтронов тепловых энергий, а энергия связи нейтронов для ядер этих материалов находится в диапазоне 7-11 МэВ , то энергия захватных гамма-квантов определяется в основном энергией связи нейтрона в ядре и равна 7-11 МэВ . Это сильно проникающее фотонное излучение во многих случаях определяет габариты биологической защиты реактора.

Гамма-излучение неупругого рассеяния сопровождает захват быстрого нейтрона ядром с последующим испусканием нейтрона с меньшей энергией. Разница энергий захваченного и испущенного нейтронов реализуется испусканием гамма-квантов. Зависимости поперечных сечений неупругого рассеяния от энергии нейтронов имеют пороговый характер, поэтому этот процесс возможен только при энергиях нейтронов выше примерно 0,8 МэВ и на тяжелых материалах. Учитывая низкие значения поперечных сечений неупругого рассеяния и низкую энергию образующихся гамма-квантов (ниже 4 МэВ ), вклад этого излучения в характеристики поля гамма-излучения реактора намного ниже, чем вклад захватного гамма-излучения.

Активационное гамма-излучение обусловлено реакциями захвата нейтрона стабильными ядрами реакторных материалов с образованием при этом радиоактивных нуклидов. В основном это происходит в результате реакций (n,γ) или (n,p) . При выборе конструкционных элементов реактора принимаются все меры к снижению концентраций материалов, приводящих к образованию активационного излучения, тем не менее, оно всегда имеет место в результате коррозии материалов и попадания продуктов коррозии с теплоносителем первого контура в активную зону реактора. Характеристики образующихся радионуклидов активационного излучения хорошо известны, т.к. они относятся к радионуклидам, описанным выше.

Следует отметить особенности формирования полей гамма-излучения реактора. Если мгновенное, захватное, гамма-излучение неупругого рассеяния нейтронов и короткоживущая активационная активность теплоносителя 1-го контура образуются только при работе реактора и именно эти источники определяют его безопасную эксплуатацию, то гамма-излучение накопленных в процессе работы реактора продуктов деления и долгоживущих радионуклидов активационного излучения определяют гамма-излучение остановленного реактора, а, следовательно, определяют вопросы обращения с отработавшим ядерным топливом и с радиоактивными отходами, накапливаемыми на реакторе. Они же играют определяющую роль в радиационной обстановке, создаваемой в случае аварийной ситуации.

5.4.3. Источники нейтронного излучения.

Ядерный реактор, как источник нейтронов. Деление ядер может осуществляться под действием различных элементарных частиц (нейтронов, протонов, альфа-частиц и др.) или фотонов, несущих значительную энергию. Делению подвержены в основном тяжелые ядра. Наибольшее практическое значение из всех известных реакций деления имеют реакции под действием нейтронов. Одним из условий деления возбужденного ядра, образующегося при захвате нейтрона, является превышение энергии возбуждения некоторого порога - критической энергии Е кр , т.е. Е + Е св > Е кр , где Е - кинетическая энергия налетающего нейтрона, а Е св - энергия связи нейтрона в составе ядра. Для изотопов 231 Pa, 232 Тh, 237 Np и 238 U и др. Е кр > Е св , поэтому для их деления необходимы нейтроны с большой кинетической энергией (Е >1 МэВ ), или быстрые нейтроны. В то же время для 233 U, 235 U, 239 Pu и 241 Pu Е св > Е кр . Такое соотношение объясняет способность указанных изотопов делиться на тепловых нейтронах; такие нуклиды называют делящимися.

В общем виде реакцию захвата нейтрона, образования составного ядра и последующей реализации его возбужденного состояния, например, 235 U можно записать в следующем виде:

92 236 U + γ

(поглощение без деления -10 – 15%)

92 235 U + 0 1 n 92 236 U

z1 A1 X + z2 A2 Y + γ + β +2,43 0 1 n +ν

(деление – 85-90%)

При делении тяжелых ядер наряду с осколками деления z 1 A 1 X , z 2 A 2 Y образуется несколько вторичных нейтронов. Например, при делении урана чаще образуется два новых нейтрона (до 30%), реже один, три или даже четыре нейтрона (до 25%). В отдельных актах деления вторичные нейтроны вообще не образуются (до 10%).

Важным моментом, определяющим возможность развития цепной реакции деления, является среднее число вторичных нейтронов ν, приходящихся на 1 акт деления. В табл.5.4 приведены значения ν для основных делящихся нуклидов при делении тепловыми и 238 U быстрыми нейтронами.

В данной главе мы рассмотрим основные свойства ионизирующих излучений, используемых в медицине, и обсудим процессы их взаимодействия с веществом.

Виды ионизирующих излучений

Начнём с определения некоторых понятий.

Альфа-излучение - корпускулярное излучение, состоящее из а-частиц (ядер 4 Не), испускаемых при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, при взаимодействии р-электрона и /? + -позитрона).

Бета-излучение - корпускулярное излучение с непрерывным энергетическим спектром, состоящее из отрицательно заряженных электронов (р -частицы) или положительно заряженных позитронов (р*-частицы) и возникающее при радиоактивном Р-распаде ядер или нестабильных элементарных частиц. Характеризуется граничной (максимальной) энергией электронов (позитронов). Гамма-излучение - фотонное излучение, возникающее при ядерных превращениях или аннигиляции частиц (диапазон энергий от десятков кэВ до нескольких МэВ).

Ионизирующее излучение» (радиация) - вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций (видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям).

Корпускулярное излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля (a-, fi-частиц, нейтронов и др.).

Косвенно ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения (косвенно ионизирующее излучение может состоять из нейтронов, фотонов и др.).

Нейтронное излучение - поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.

Протонное излучение - излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтронно-дефицитных атомных ядер или как пучок на выходе ионного ускорителя (например, синхрофазотрона).

Рентгеновское излучение - фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемое, например, рентгеновскими трубками. Занимает спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн мгз+юо нм (ю,2 +ю -5 см). Энергетический диапазон ЮО эВ-ю,1 МэВ. Рентгеновские лучи с длиной волны менее 0,2 нм (Е>50 кэВ) называются жёсткими, с длиной волны более о,2 нм (E

Синхротронное (или магнитотормозное) излучение - электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями. Тормозное излучение - электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле, характеризуется непрерывным энергетическим спектром. Иногда в понятие тормозного излучения включают также излучение релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных полях (синхротронное излучение).

Фотонное излучение - электромагнитное косвенно ионизирующее излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

Табл. 1. Свойства некоторых видов корпускулярной радиации.

К ионизирующим излучениям относят фотоны электромагнитного излучения (у- и рентгеновское излучение с длиной волны менее 20 нм) и корпускулярные излучения. Фотонное излучение с энергией от 50 эВ до 500 эВ называют рентгеновским излучением, а при более высоких энергиях - гамма-излучением. Ионизирующее электромагнитное излучение может быть у-излучением, сопутствующим p-распаду или возникшем при аннигиляции позитронов, а может быть рентгеновским тормозным или характеристическим излучением.

Электролтгнитное излучение - распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля (т. е. взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Электромагнитное излучение - комбинация электрического и магнитного полей, синусоидально изменяющихся в пространстве и времени. Скорость движения волны, и [м/с], связана с длиной волны, Л [м], и частотой колебаний, v : и- Л-v, а так как и обычно постоянна, то v=c/A, с=з-ю 8 м/с - скорость света.

Энергия электромагнитного излучения (эВ):

где h= 6,626-10-34 Джс=4,135Ю, 5 эВс.

Электромагнитное излучение имеет широкий спектр энергий и различные источники: у-излучение атомных ядер и тормозное излучение ускоренных электронов, радиоволны и др. (табл. 1, рис. l). На шкале электромагнитных волн у-излучение граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и др. Гамма-излучение обладает малой длиной волны (Лею нм) и ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведёт себя подобно потоку частиц (у-квантов, или фотонов) с энергией /iv.

В медицине широко применение находит тормозное излучение, возникающее при прохождении ускоренных электронов в среде. В зависимости от энергии возникающего электромагнитного излучения его относят к рентгеновскому излучению (энергии десятки и сотни кэВ) или к у-излучению (энергии единицы или десятки МэВ, но на ускорителях достигают энергий в несколько десятков ГэВ). Излучение рентгеновского диапазона обычно получают с помощью рентгеновских трубок.

Интенсивность тормозного излучения пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы. Так как ускорение обратно пропорционально массе частицы, то в одном и том же поле тормозное излучение электрона в миллионы раз мощнее излучения протона. Поэтому чаще всего используется тормозное излучение, возникающее при рассеянии электронов в электростатическом поле атомных ядер и электронов.

Рис. 1.

Спектр фотонов тормозного излучения непрерывен и обрывается при максимально возможной энергии, равной начальной энергии электрона. Так как интенсивность тормозного излучения пропорциональна Z 2 , то для увеличения выхода фотонов тормозного излучения в электронных пучках используются мишени из веществ с большими Z.

К корпускулярному ионизирующему излучению относят a-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (а-, (3-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении с ними, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны сами не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят. Нейтронное излучение относят к косвенно ионизирующим излучениям.

Нейтроны существенно различаются по своим энергиям. Для энергетической характеристики нейтронного излучения используют понятие спектра нейтронов. Нейтроны квалифицируют по скорости движения:

• - Релятивистские нейтроны, с энергией более 10 ю эВ;
• - Быстрые нейтроны, с энергией больше o.i МэВ (иногда больше i МэВ)
• - Медленные нейтроны - нейтроны с энергией менее юо КэВ. или по «температуре»:
• - Надтепловые нейтроны, с энергией от 0.025 до 1 эВ;
• - Горячие нейтроны, с энергией порядка 0.2 эВ;
• - Тепловые нейтроны, с энергией примерно 0,025 эВ;
• - Холодные нейтроны, с энергией от 510-5 эВ до 0.025 эВ;
• - Очень холодные нейтроны, с энергией 2*10-? - 5*10-5 эВ;
• - Ультрахолодные нейтроны, с энергией менее 2*10-? эВ.

Взаимодействие нейтронов с атомами является слабым, что позволяет нейтронам глубоко проникать в вещество.

Электронное излучение - обычно пучок электронов на выходе электронного ускорителя. Оно характеризуется средней энергией излучения и дисперсией (разбросом), а также шириной пучка. Специальными мерами можно получить моноэнергетический узкий пучок высокоэнергетических электронов.

Бета-излучение сопровождает самый распространенный тип радиоактивного распада ядер - p-распад. Так как скорость р-частиц значительно выше скорости а-частиц, они реже взаимодействуют с атомами среды; плотность ионизации на единицу пробега у них в сотни раз ниже, чем у а-частиц, а пробег в воздухе достигает ю м. В биологической мягкой ткани пробег равен 10+12 мм. Поглощается такое излучение слоем алюминия толщиной 1 мм. В отличие от электронного излучения, p-излучение сопровождается потоком антинейтрино для электронов и нейтрино для позитронов. Позитронное излучение сопровождается ещё и аннигиляционным у-излучением (с энергией 0,51 и/или 1,02 МэВ).

К фотонным ИИ относятся g-излучение радиоактивных веществ, рентгеновское характеристическое и тормозное излучения, генерируемые различными ускорителями. ЛПИ фотонного излучения самая низкая (1-2 пары ионов на 1 см 3 воздуха), что определяет его высокую проникающую способность (в воздухе длина пробега составляет несколько сот метров).

g-излучение возникает при радиоактивном распаде. Переход ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением g-кванта с энергиями от 10 кэВ до 5 МэВ. Основными терапевтическими источниками g-излучения являются дистанционные гамма-терапевтические аппараты с искусственным радионуклидом 60 Со. Этот искусственный радиоактивный излучатель в течение более 60 лет используется в радиотерапевтических клиниках благодаря своим характеристикам. Энергия гамма-излучения 60 Со довольно высока и составляет 1,25 МэВ, что позволяет обеспечить перемещение энергии пучка вглубь тканей. При максимуме относительной поглощенной дозы на глубине 0,5 см, 50% глубинная доза располагается на глубине 11,4 см. Достаточно длительный период полураспада, составляющий 5,3 года, благодаря чему мощность источника убывает в течение длительного времени, а перезарядка аппарата требуется раз в 5-7 лет.

Тормозное рентгеновское излучение высоких энергий возникает за счет ускорения и резкого торможения ускоренных электронов высоких энергий в вакуумных системах различных ускорителей и отличается от рентгеновского большей энергией квантов (от одного до десятков МэВ).

При прохождении потока фотонов через вещество происходит его ослабление в результате взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Тип взаимодействия фотонов с атомами вещества зависит от энергии фотонов. Выделяют следующие виды взаимодействия фотонов с веществом:

· Классическое (когерентное, или томпсоновское, рассеяние) - для фотонов с энергией от 10 до 50-100 кэВ. Относительная частота этого эффекта мала. Происходит взаимодействие, которое существенной роли не играет, так как падающий квант, столкнувшись с электроном, отклоняется, и его энергия не меняется.

· Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) - при относительно малых энергиях - от 50 до 300 кэВ (играет существенную роль при рентгенотерапии). Падающий квант выбивает орбитальный электрон из атома, сам при этом поглощается, а электрон, немного изменив направление, улетает. Этот улетевший электрон называется фотоэлектроном. Таким образом, энергия фотона тратится на работу выхода электрона и на придание ему кинетической энергии. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, а фотоэлектрон в конце пробега теряет свою энергию и присоединяется к нейтральному атому, превращая его в отрицательно заряженный ион.

· Эффект Комптона (некогерентное рассеяние) - возникает при энергии фотона от 120 кэВ до 20 МэВ (т. е. практически весь спектр энергий применяемых в лучевой терапии). Падающий квант выбивает электрон с наружной оболочки атома, передавая ему часть энергии, оставшаяся часть меняет свое направление. Электрон вылетает из атома под определенным углом, а новый квант отличается от первоначального не только иным направлением движения, но и меньшей энергией. Образовавшийся квант будет косвенно ионизировать среду, а электрон - прямо.

· Процесс образования электронно-позитронных пар - энергия кванта должна быть больше 1,02 МэВ (удвоенной энергии покоя электрона). С этим механизмом приходится считаться при облучении больных тормозным излучением высоких энергий. Вблизи ядра атома падающий квант испытывает ускорение и исчезает, преобразовываясь в электрон и позитрон. Позитрон быстро объединяется со встречным электроном, и происходит процесс аннигиляции (взаимного уничтожения), а взамен возникают два фотона, энергия каждого из которых вдвое меньше энергии исходного фотона. Таким образом, энергия первичного кванта переходит в кинетическую энергию электрона и в энергию аннигиляционного излучения.

· Фотоядерное поглощение - энергия квантов должна быть больше 2,5 МэВ. Фотон поглощается ядром атома, в результате чего ядро переходит в возбужденное состояние и может либо отдать электрон, либо развалиться. Таким образом получаются нейтроны.

В результате вышеперечисленных процессов взаимодействия фотонного излучения с веществом возникает вторичное фотонное и корпускулярное излучение (электроны и позитроны). Ионизационная способность заряженных частиц значительно больше, чем фотонного излучения.

Пространственное ослабление пучка фотонов происходит по экспоненциальному закону (закону обратных квадратов): интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения.

Излучение в диапазоне с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ нашло самое широкое применение в терапии злокачественных новообразований. Большая проникающая способность позволяет передавать энергию глубоко расположенным опухолям. При этом резко снижается лучевая нагрузка на кожу и подкожную клетчатку, что позволяет подвести требуемую дозу к очагу поражения без лучевого повреждения указанных участков тела (в отличие от мягкого рентгеновского излучения). С увеличением энергии фотонов больше 15 МэВ увеличивается риск лучевого поражения тканей на выходе пучка.

В целом (рис. 2.3), проникающая способность ионизирующих излучений, а, следовательно, показания к их использованию в терапии опухолей зависит от вида излучения (фотонные излучения обладают в целом более высокой проникающей способностью, чем корпускулярные) и его энергии (возрастает).

Рис. 2.3.Примеры процентного линейного распределения дозы пучков электронов энергией от 6 до 20 МэВ и фотонных излучений от гамма-излучения 60Со до мегавольтного рентгеновского излучения энергией 4-25 МэВ.

Контрольные вопросы к разделу

(выделены правильные ответы)

1) Расставьте компоненты распада ядра радиоактивного вещества по возрастанию их проникающей способности в тканях

а) Альфа-излучение, гамма-излучение, бета-излучение

б) Гамма-излучение, альфа-излучение, бета-излучение

в) Альфа-излучение, бета-излучение, гамма-излучение

г) Проникающая способность компонентов может меняться в зависимости от агрегатного состояния вещества

2) Какова проникающая способность ускоренных электронов, характеризующаяся длиной свободного пробега в тканях человека?

б) не превышает 2 см

г) до 10 см

3) Основными преимуществами использования протонных пучков в лучевой терапии являются:

а) формирование нерасходящихся пучков;

б) синхронизация пучка с дыханием

в) возможность подведения необходимого количества энергии на заданную глубину, соответствующую пику Брегга;

г) высокий градиент дозы (селективность) между мишенью и окружающими тканями;

д) конформность облучения

4) Какой заряд имеют пи-мезоны?

а) Отрицательный

б) Положительный

в) Двойной положительный

г) Не имеют заряда

5) Какой заряд имеют альфа-частицы?

а) Отрицательный

б) Положительный

в) Двойной положительный

г) Не имеют заряда

6) Какой заряд имеют нейтроны?

а) Отрицательный

б) Положительный

в) Двойной положительный

г) Не имеют заряда

7) Какая локализация злокачественных опухолей предпочтительна для применения нейтронозахватной терапии?

а) Мышцы и жировая клетчатка;

б) Головной мозг

в) Опухоли полостных органов

г) Локализация значения не имеет

8) ЛПИ фотонного излучения в воздухе составляет…

а) 1-2 пары ионов на 1 см 3

б) 5-10 пар ионов на 1 см 3

в) 50-70 пар ионов на 1 см 3

г) 200--300 пар ионов на 1 см 3

9) В каком диапазоне энергий фотонов при взаимодействии с веществом наблюдается фотоэффект?

а) 10-20 МэВ

в) 50-300 КэВ

д) Более 1,02 МэВ

е) 120 КэВ – 20 МэВ

10) В каком диапазоне энергий фотонов при взаимодействии с веществом наблюдается эффект Комптона?

а) 10-100 кэВ

в) 50-300 КэВ

д) Более 1,02 МэВ

е) 120 КэВ – 20 МэВ

11) В каком диапазоне энергий фотонов при взаимодействии с веществом наблюдается процесс образования электрон-позитронных пар?

а) 10-20 МэВ

в) 50-300 КэВ

д) Более 1,02 МэВ

е) 120 КэВ – 20 МэВ

12) В соответствии с «законом обратных квадратов», интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату…

а) Расстояния от источника излучения

б) Исходной энергии пучка фотонного излучения

в) Магнитной индукции пучка

13) Какой вид ионизирующего излучения имеет наиболее высокую проникающую способность в биологических тканях?

а) Рентгеновское ортовольтное

б) Ускоренные электроны

в) Гамма-излучение

г) Альфа-частицы

д) Тормозное излучение высоких энергий

е) Рентгеновское 50 КэВ

14) Какой вид излучения образуется при радиоактивном распаде радионуклида 60 Со?

а) Рентгеновское

б) Бета-излучение

в) Нейтроны

г) Гамма-излучение

д) Протоны

е) Ускоренные электроны

15) Какой период полураспада у радионуклида 60 Со (кобальт шестьдесят)?

а) 2,3 года

г) 4,8 месяца

д) 5,2 года

е) 4,5 года

16) Какова энергия гамма-излучения радионуклида 60 Со?

Ионизирующее излучение - это совокупность различных видов микрочастиц и физических полей, обладающих способностью ионизировать вещество, то есть образовывать в нем электрически заряженные частицы - ионы.

РАЗДЕЛ III. УПРАВЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Различают несколько видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, а также нейтронное излучение.

Альфа-излучение

В формировании положительно заряженных альфа-частиц принимают участие 2 протона и 2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия. Альфа-частицы образуются при распаде ядра атома и могут иметь начальную кинетическую энергию от 1,8 до 15 МэВ. Характерными особенностями альфа-излучения являются высокая ионизирующая и малая проникающая способности. При движении альфа-частицы очень быстро теряют свою энергию, и это обуславливает тот факт, что ее не хватает даже для преодоления тонких пластмассовых поверхностей. В целом, внешнее облучение альфа-частицами, если не брать в расчет высокоэнергичные альфа-частицы, полученные с помощью ускорителя, не несет в себе никакого вреда для человека, а вот проникновение частиц внутрь организма может быть опасно для здоровья., поскольку альфа-радионуклиды отличаются большим периодом полураспада и обладают сильной ионизацией. В случае попадания внутрь организма альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

Бета-излучение

Заряженные бета-частицы, скорость которых близка к скорости света, образуются в результате бета-распада. Бета-лучи обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи - они могут вызывать химические реакции, люминесценцию, ионизировать газы, оказывать эффект на фотопластинки. В качестве защиты от потока заряженных бета-частиц (энергией не более 1МэВ) достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

Фотонное излучение: гамма-излучение и рентгеновское излучение

Фотонное излучение включает в себя два вида излучений: рентгеновское (может быть тормозным и характеристическим) и гамма-излучение.

Наиболее распространенным видом фотонного излучения являются обладающие очень высокой энергией при ультракороткой длине волны гамма-частицы, которые представляют собой поток высокоэнергичных, не обладающих зарядом фотонов. В отличие от альфа- и бета-лучей гамма-частицы не отклоняются магнитными и электрическими полями и обладают значительно большей проникающей способностью. В определенных количествах и при определенной продолжительности воздействия гамма-излучение может вызвать лучевую болезнь, привести к возникновению различных онкологических заболеваний. Препятствовать распространению потока гамма-частиц могут только такие тяжелые химические элементы, как, например, свинец, обедненный уран и вольфрам.

Нейтронное излучение

Источником возникновения нейтронного излучения могут быть ядерные взрывы, ядерные реакторы, лабораторные и промышленные установки.

Сами нейтроны представляют собой электрически нейтральные, нестабильные (период полураспада свободного нейтрона составляет около 10 минут) частицы, которые благодаря тому, что у них отсутствует заряд, отличаются большой проникающей способностью при слабой степени взаимодействия с веществом. Нейтронное излучение очень опасно, поэтому для защиты от него используют ряд специальных, в основном водородосодержащих, материалов. Лучше всего нейтронное излучение поглощается обычной водой, полиэтиленом, парафином, а также растворами гидроксидов тяжелых металлов.

Как ионизирующие излучения воздействуют на вещества?

Все виды ионизирующих излучений в той или иной степени оказывают воздействие на различные вещества, но сильнее всего оно выражено у гамма-частиц и у нейтронов. Так, при длительном воздействии они могут существенно изменить свойства различных материалов, изменить химический состав веществ, ионизировать диэлектрики и оказывать разрушительный эффект на биологические ткани. Естественный радиационный фон не принесет человеку особого вреда, однако при обращении с искусственными источниками ионизирующих излучений стоит быть очень осторожными и предпринимать все необходимые меры, чтобы до минимума снизить уровень воздействия излучения на организм.

Виды ионизирующих излучений и их свойства

Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, в результате воздействия которых на среду образуются разнозаряженные ионы.

Различные виды излучений сопровождаются высвобождением определенного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на организм. Наибольшую опасность для человека представляют радиоактивные излучения, такие как у-, рентгеновское, нейтронное, а- и в-излучения.

Рентгеновское и у-излучения представляют собой потоки квантовой энергии. Гамма-излучение обладает более короткими длинами волн по сравнению с рентгеновским. По своей природе и свойствам эти излучения мало отличаются друг от друга, обладают большой проникающей способностью, прямолинейностью распространения и свойством создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходят. Однако если рентгеновские лучи обычно получают с помощью электронного аппарата, то у-лучи испускаются нестабильными или радиоактивными изотопами.

Остальные типы ионизирующего излучения представляют собой быстродвижущиеся частицы вещества (атома), одни из которых несут электрический заряд, другие — нет.

Нейтроны — единственные незаряженные частицы, образующиеся при любом радиоактивном преобразовании, с массой, равной массе протона. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают в любое вещество, включая и живые ткани. Нейтроны представляют собой основные частицы, из которых построены ядра атомов.

При прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов, передают им часть своей энергии, а сами изменяют направление своего движения. Ядра атомов "выскакивают" из электронной оболочки и, проходя через вещество, производят ионизацию.

Электроны — легкие отрицательно заряженные частицы, существующие во всех стабильных атомах. Электроны очень часто используются во время радиоактивного распада вещества, и тогда их называют в-частицами. Их можно получать и в лабораторных условиях. Энергия, теряемая электронами при прохождении через вещество, расходуется на возбуждение и ионизацию, а также на образование тормозного излучения.

Альфа-частицы — ядра атомов гелия, лишенные орбитальных электронов и состоящие из двух протонов и двух нейтронов, сцепленных вместе. Имеют положительный заряд, относительно тяжелы, по мере прохождения через вещество производят ионизацию вещества большой плотности.

Обычно а-частицы испускаются при радиоактивном распаде естественных тяжелых элементов (радий, торий, уран, полоний и др.).

Заряженные частицы (электроны и ядра атомов гелия), проходя через вещество, взаимодействуют с электронами атомов, теряя при этом 35 и 34 эВ соответственно. При этом одна половина энергии расходуется на ионизацию (отрыв электрона от атома), а другая — на возбуждение атомов и молекул среды (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку).

Число ионизированных и возбужденных атомов, образуемых а-частицей на единице длины пути в среде, в сотни раз больше, чем у р-частицы (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Пробег а- и в-частиц различной энергии в мышечной ткани

Это обусловлено тем, что масса а-частицы примерно в 7000 раз больше массы в-частицы, следовательно, при одной и той же энергии ее скорость значительно меньше, чем у в-частицы.

Испускаемые при радиоактивном распаде а-частицы обладают скоростью примерно 20 тыс. км/с, в то время как скорость в-частиц близка к скорости света и составляет 200…270 тыс. км/с. Очевидно, что чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды, а следовательно, больше и потери энергии на единице пути в среде — значит, меньше пробег. Из табл. 5.1 следует, что пробег а-частиц в мышечной ткани в 1000 раз меньше пробега в-частиц той же энергии.

Когда ионизирующее излучение проходит сквозь живые организмы, оно передает свою энергию биологическим тканям и клеткам неравномерно. В результате, несмотря на небольшое количество поглощенной тканями энергии, некоторые клетки живой материи будут значительно повреждены. Суммарный эффект ионизирующего излучения, локализованного в клетках и тканях, представлен в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Биологическое действие ионизирующего излучения

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул могут лежать два механизма: 1) прямое действие, когда данная молекула испытывает изменения (ионизацию, возбуждение) непосредственно при взаимодействии с излучением; 2) косвенное действие, когда молекула непосредственно не поглощает энергию ионизирующего излучения, а получает ее путем передачи от другой молекулы.

Известно, что в биологической ткани 60…70% массы составляет вода. Поэтому рассмотрим различие между прямым и косвенным действием излучения на примере облучения воды.

Допустим, что молекула воды ионизируется заряженной частицей, в результате чего она теряет электрон:

Н2О -> Н20+е — .

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила ОН":

Н2О+Н2О -> Н3О+ + ОН*.

Вырванный электрон также очень быстро передает энергию окружающим молекулам воды, при этом возникает сильно возбужденная молекула воды Н2О*, которая диссоциирует с обра зованием двух радикалов, Н* и ОН*:

Н2О+е- -> Н2О*Н’ + ОН’.

Свободные радикалы содержат неспаренные электроны и отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10-5 с. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом.

В присутствии растворенного в воде кислорода образуются и другие продукты радиолиза: свободный радикал гидропероксида НО2, пероксид водорода Н2О2 и атомный кислород:

Н*+ О2 -> НО2 ;
НО*2 + НО2 -> Н2О2 +20.

В клетке живого организма ситуация значительно более сложная, чем при облучении воды, особенно в том случае, если поглощающим веществом являются крупные и многокомпонентные биологические молекулы. В этом случае образуются органические радикалы D*, также отличающиеся крайне высокой реакционноспособностью. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву химических связей. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутке между образованием ионных пар и формированием конечных химических продуктов.

Кроме того, биологическое действие усиливается за счет влияния кислорода. Образующийся в результате взаимодействия свободного радикала с кислородом также высокореакционный продукт DО2* (D* + О2 -> DО2*) приводит к образованию новых молекул в облучаемой системе.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и молекулы окислителя, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, — токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных систем или организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение.

Нежелательные радиационные эффекты воздействия облучения на организм человека условно делятся на соматические (soma — по-гречески "тело") и генетические (наследственные).

Соматические эффекты проявляются непосредственно у самого облученного, а генетические — у его потомства.

За последние десятилетия человеком было создано большое количество искусственных радионуклидов, использование которых является дополнительной нагрузкой к естественному радиационному фону Земли и увеличивает дозу облучения людей. Но, направленные исключительно на использование в мирных целях, ионизирующие излучения полезны для человека, и сегодня трудно указать область знаний или народного хозяйства, не использующую радионуклиды или другие источники ионизирующих излучений. Уже к началу 21 века «мирный атом» нашел свое применение в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, микробиологии, энергетике, освоении космоса и других сферах.

Виды излучения и взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Применение ядерной энергии стало жизненно важной необходимостью существования современной цивилизации и, в то же время, огромной ответственностью, поскольку использовать этот источник энергии необходимо максимально рационально и осторожно.

Полезная особенность радионуклидов

Благодаря радиоактивному распаду радионуклид «подает сигнал», определяя тем самым свое местоположение. Используя специальные приборы, фиксирующие сигнал от распада даже единичных атомов, ученые научились использовать эти вещества в качестве индикаторов, помогающих исследовать самые разные химические и биологические процессы, проходящие в тканях и клетках.

Виды техногенных источников ионизирующего излучения

Все техногенные источники ионизирующего излучения можно разделить на два вида.

• Медицинские - используемые как для диагностики заболеваний (например, рентгеновский и флюорографический аппараты), так и для проведения радиотерапевтических процедур (например, радиотерапевтические установки для лечения рака). Также к медицинским источникам ИИ относятся радиофармацефтические препараты (радиоактивные изотопы или их соединения с различными неорганическими или органическими веществами), которые могут применяться как для диагностики заболеваний, так и для их лечения.
• Промышленные - произведенные человеком радионуклиды и генераторы:
  • в энергетике (реакторы атомных электростанций);
  • в сельском хозяйстве (для селекционирования и исследования эффективности удобрений)
  • в оборонной сфере (топливо для атомоходов);
  • в строительстве (неразрушающий контроль металлоконструкций).

По статическим данным, объем производства радионуклидной продукции на мировом рынке в 2011 году составлял 12 млрд. долларов, а к 2030 году ожидается шестикратное увеличение этого показателя.