Ионизирующие излучения. Фотонные ионизирующие излучения Квантовое ионизирующее излучение

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

Энергия частиц, МэВ	Пробег, мкм	Энергия частиц, МэВ	Пробег, мкм	Энергия частиц, МэВ	Пробег, мкм


	—

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

Характер воздействия		Эффект воздействия
Непосредственное действие излучений	10 -24 … 10 -4 с 10 16 …10 8 с	Поглощение энергии. Начальные взаимодействия. Рентгеновское и у-излучение, нейтроны Электроны, протоны, а-частицы
	10 -12 … 10 -8 с	Физико-химическая стадия. Перенос энергии в виде ионизации на первичной траектории. Ионизованные и электронно-возбужденные молекулы
	10 7 …10 5 с, несколько часов	Химические повреждения. При мое действие. Косвенное действие. Свободные радикалы, образующиеся из воды. Возбуждение молекулы до тепловою равновесия
Косвенное действие излучений	Микросекунды, секунды, минуты, несколько часов	Биомолекулярные повреждении. Изменения молекул белков, нуклеиновых кислот под влиянием процессов обмена
	Минуты, часы, недели	Ранние биологические и физиологические эффекты. Биохимические повреждения. Гибель клеток, гибель отдельных животных
	Годы, столетия	Отдаленные биологические эффекты Стойкое нарушение функций. Ионизирующее излучение Генетические мутации, действие на потомство. Соматические эффекты: рак, лей коз, сокращение продолжительности жизни, гибель организма

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.

Ионизирующее излучение - это совокупность различных видов микрочастиц и физических полей, обладающих способностью ионизировать вещество, то есть образовывать в нем электрически заряженные частицы - ионы. Различают несколько видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, а также нейтронное излучение.

Альфа-излучение

Бета-излучение

Фотонное излучение: гамма-излучение и рентгеновское излучение

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?

Первые исследования ионизирующего излучения были проведены в конце XIX в. В 1895 г. немецкий физик В.К. Рентген открыл «Х-лучи», названные впоследствии рентгеновским излучением. В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил следы естественной радиоактивности солей урана на фотографических пластинках. В 1898 г. супруги Мария и Пьер Кюри установили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов они назвали «радий» (Ra) (от лат. «испускающий лучи»).

Ионизирующее излучение – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Ионизирующие излучения подразделяются на корпускулярное и фотонное.

К корпускулярному излучению относятся: a, b-, протонные и нейтронные излучения.

a-излучение – это поток ядер гелия, образующихся при радиоактивном распаде. Они имеют массу 4 и заряд +2. К a-излучателем относятся около 160 природных и техногенных радионуклидов, большинство которых находятся в конце периодической системы элементов (заряд ядра > 82). a-частицы распространяются в средах прямолинейно, имеют незначительный пробег (расстояние, на котором частицы теряют свою энергию, взаимодействуя с веществом): в воздухе – менее 10 см; в биологических тканях 30-150 мкм. a - частицы обладают высокой ионизирующей и низкой проникающей способностью.

b-излучение – это поток электронов и позитронов. Их масса в десятки тысяч раз меньше массы a-частиц. К b-излучателям относятсяоколо 690 природных и техногенных излучателей. Пробег b-частиц составляет в воздухе несколько метров, а в биологических тканях - около 1 см. Они обладают более высокой, чем a - частицы, проникающей способностью, но меньшей ионизирующей.

Протонное излучение – поток ядер водорода.

Нейтронное излучение – поток ядерных частиц, не имеющих заряда с массой, близкой к массе протона. Свободные нейтроны захватываются ядрами. При этом ядра переходят в возбужденное состояние и делятся с выделением g-квантов, нейтронов и запаздывающих нейтронов. Благодаря запаздывающим нейтронам реакция деления в ядерных реакторах является управляемой. Нейтронное излучение обладает более высокой ионизирующей способностью, по сравнению с другими видами корпускулярного излучения.

Фотон – это квант энергии электромагнитного излучения высокой частоты. Фотонное излучение делится на рентгеновское и g-излучение. Они обладают высокой проникающей и малой ионизирующей способностью.

Рентгеновское излучение – это искусственное электромагнитное излучение, возникающее в рентгеновских трубках («Х – лучи»).

g-излучение – это электромагнитное излучениеестественного происхождения. g-лучи распространяются прямолинейно, не отклоняются в электрических и магнитных полях, имеют большой пробег в воздухе.

Непосредственно ионизирующее излучение – это излучение состоящее из заряженных частиц, например, a, b-частиц. Косвенно ионизирующее излучение – это излучение, состоящее из незаряженных частиц, например, нейтронов или фотонов. Они создают вторичное излучение в средах, через которые проходят.

Ионизирующее излучение описывается следующими физическими величинами

Активность вещества A определяется скоростью радиоактивного распада:

где: dN – число спонтанных ядерных превращений за время dt.

Единицы активности:

в системе СИ - Беккерель: 1 Бк = 1 расп/с

внесистемная единица – Кюри: 1 Ки = 3.7 . 10 10 расп/с, что соответствует активности 1 г. чистого Ra.

Период полураспада Т 1/2 – время, необходимое для уменьшения активности радионуклидов в 2 раза. Для U-238 Т 1/2 = 4,56 . 10 9 лет, для Rа-226 Т 1/2 = 1622 года.

Экспозиционная доза X – энергия ионизирующего излучения, вызывающая образование в воздухе заряда dQ одного знака в элементарном объеме, массой dm.

Единицы экспозиционной дозы:

в системе СИ 1 Кл/кг = 3880 Р.

внесистемная единица – Рентген: 1 Р

Поглощенная доза D определяется количеством поглощенной энергии dE на единицу массы облучаемого вещества dm.

Единицы поглощенной дозы:

в системе СИ Грей: 1 Гр

внесистемная единица 1 рад = 0,01 Гр

1 Р = 0.87 рад

1 рад = 1.14 Р

Название «рад» - от первых букв термина «radiation absorbed dose».

Эквивалентная доза H R показывает опасность различных видов радиационного облучения биологических тканей и равна:

где: W R – весовой коэффициент, отражающий опасность того или иного вида ионизирующего излучения для организма.

рентгеновское, g-излучение, b-излучение W R = 1;

нейтроны W R = 5-20;

a-частицы W R = 20.

Единицы эквивалентной дозы:

в системе СИ 1 Зв в честь шведского ученого Зиверта

внесистемная единица – 1 бэр = 0.01 Зв

бэр – биологический эквивалент рада.

Эффективная эквивалентная доза H E – это величина риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Разные органы и ткани имеют разную чувствительность к облучению. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения H R возникновение рака легких более вероятно, чем щитовидной железы. Поэтому, введено понятие эффективной эквивалентной дозы.

где: W T – весовой коэффициент для биологической ткани.

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 -излучение радиоактивных веществ, 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).

-излучение возникает при радиоактивном распаде. Переход ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением -кванта с энергиями от 10 кэВ до 5 МэВ. Основными терапевтическими источниками -излучения являются -аппараты (пушки).

Тормозное рентгеновское излучение возникает за счет ускорения и резкого торможения электронов 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 следующих процессов взаимодействия (тип взаимодействия фотонов с атомами вещества зависит от энергии фотонов):

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.

Эффект Комптона (некогерентное рассеяние) - возникает при энергии фотона от 120 кэВ до 20 МэВ (т. е. практически весь спектр лучевой терапии). Падающий квант выбивает электрон с наружной оболочки атома, передавая ему часть энергии, и 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 больного пучком тормозного излучения высокой энергии, т. е. на высокоэнергетических линейных ускорителях. 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.

Фото ядерное 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 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 15 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 из пучка.