Іонізуючі випромінювання. Фотонні іонізуючі випромінювання Квантове іонізуюче випромінювання

РОЗДІЛ ІІІ. УПРАВЛІННЯ БЕЗПЕКОЮ ЖИТТЯДІЙНОСТІ ТА ЕКОНОМІЧНІ МЕХАНІЗМИ ЙОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Розрізняють декілька видів іонізуючих випромінювань: альфа-, бета-, гамма-випромінювання, а також нейтронне випромінювання.

Альфа-випромінювання

У формуванні позитивно заряджених альфа-частинок беруть участь 2 протони та 2 нейтрони, що входять до складу ядер гелію. Альфа-частинки утворюються при розпаді ядра атома і можуть мати початкову кінетичну енергію від 18 до 15 МеВ. Характерними особливостями альфа-випромінювання є висока іонізуюча та мала проникаюча здатність. Під час руху альфа-частинки дуже швидко втрачають свою енергію, і це обумовлює той факт, що її не вистачає навіть для подолання тонких пластмасових поверхонь. В цілому, зовнішнє опромінення альфа-частинками, якщо не брати до уваги високоенергійні альфа-частинки, отримані за допомогою прискорювача, не несе в собі жодної шкоди для людини, а ось проникнення частинок всередину організму може бути небезпечним для здоров'я., оскільки альфа-радіонукліди відрізняються великим періодом напіврозпаду і мають сильну іонізацію. У разі потрапляння всередину організму альфа-частинки часто можуть бути навіть небезпечнішими, ніж бета- та гамма-випромінювання.

Бета-випромінювання

Заряджені бета-частинки, швидкість яких близька до швидкості світла утворюються в результаті бета-розпаду. Бета-промені мають більшу проникаючу здатність, ніж альфа-промені - вони можуть викликати хімічні реакції, люмінесценцію, іонізувати гази, впливати на фотопластинки. Як захист від потоку заряджених бета-часток (енергією не більше 1МеВ) достатньо буде використовувати звичайну алюмінієву пластину завтовшки 3-5 мм.

Фотонне випромінювання: гамма-випромінювання та рентгенівське випромінювання

Фотонне випромінювання включає два види випромінювань: рентгенівське (може бути гальмівним і характеристичним) і гамма-випромінювання.

Найбільш поширеним видом фотонного випромінювання є дуже високою енергією при ультракороткій довжині хвилі гамма-частинки, які являють собою потік високоенергійних, не володіють зарядом фотонів. На відміну від альфа- і бета-променів гамма-частинки не відхиляються магнітними та електричними полями і мають значно більшу проникаючу здатність. У певних кількостях та за певної тривалості впливу гамма-випромінювання може викликати променеву хворобу, призвести до виникнення різних онкологічних захворювань. Перешкоджати поширенню потоку гамма-частинок можуть лише такі важкі хімічні елементи, як, наприклад, свинець, збіднений уран та вольфрам.

Нейтронне випромінювання

Джерелом виникнення нейтронного випромінювання можуть бути ядерні вибухи, ядерні реактори, лабораторні та промислові установки.

Самі нейтрони є електрично нейтральні, нестабільні (період напіврозпаду вільного нейтрону становить близько 10 хвилин) частинки, які завдяки тому, що у них відсутній заряд, відрізняються великою проникаючою здатністю при слабкому ступені взаємодії з речовиною. Нейтронне випромінювання дуже небезпечне, тому для захисту від нього використовують ряд спеціальних, в основному водневмісних матеріалів. Найкраще нейтронне випромінювання поглинається звичайною водою, поліетиленом, парафіном, а також розчинами гідроксидів важких металів.

Як іонізуючі випромінювання впливають на речовини?

Усі види іонізуючих випромінювань у тому чи іншою мірою впливають різні речовини, але найсильніше воно виражено в гамма-частиц і в нейтронів. Так, при тривалому впливі можуть істотно змінити властивості різних матеріалів, змінити хімічний склад речовин, іонізувати діелектрики і руйнівний ефект на біологічні тканини. Природне радіаційне тло не завдасть людині особливої шкоди, проте при поводженні зі штучними джерелами іонізуючих випромінювань варто бути дуже обережними і вживати всіх необхідних заходів, щоб до мінімуму знизити рівень впливу випромінювання на організм.

Види іонізуючих випромінювань та їх властивості

Іонізуючим випромінюванням називають потоки частинок та електромагнітних квантів, внаслідок впливу яких на середу утворюються різнозаряджені іони.

Різні види випромінювань супроводжуються вивільненням певної кількості енергії і мають різну проникаючу здатність, тому вони надають неоднаковий вплив на організм. Найбільшу небезпеку для людини становлять радіоактивні випромінювання, такі як у-, рентгенівське, нейтронне, а-і в-випромінювання.

Рентгенівське та у-випромінювання є потоками квантової енергії. Гамма-випромінювання має більш короткі довжини хвиль порівняно з рентгенівським. За своєю природою і властивостями ці випромінювання мало відрізняються один від одного, мають велику проникаючу здатність, прямолінійність поширення і властивість створювати вторинне і розсіяне випромінювання в середовищах, через які проходять. Однак якщо рентгенівські промені зазвичай отримують за допомогою електронного апарату, то промені випускаються нестабільними або радіоактивними ізотопами.

Інші типи іонізуючого випромінювання являють собою частинки речовини (атома), що швидко рухаються, одні з яких несуть електричний заряд, інші — ні.

Нейтрони - єдині незаряджені частинки, що утворюються при будь-якому радіоактивному перетворенні, з масою, що дорівнює масі протона. Оскільки ці частинки електронейтральні, вони глибоко проникають у будь-яку речовину, включаючи живі тканини. Нейтрони є основними частинками, з яких побудовані ядра атомів.

При проходженні через речовину вони взаємодіють лише з ядрами атомів, передають їм частину своєї енергії, а самі змінюють напрямок свого руху. Ядра атомів "вискакують" з електронної оболонки і, проходячи через речовину, виробляють іонізацію.

Електрони – легкі негативно заряджені частинки, які у всіх стабільних атомах. Електрони дуже часто використовуються під час радіоактивного розпаду речовини, і тоді їх називають частинками. Їх можна отримувати й у лабораторних умовах. Енергія, що втрачається електронами при проходженні через речовину, витрачається на збудження та іонізацію, а також на утворення гальмівного випромінювання.

Альфа-частинки - ядра атомів гелію, позбавлені орбітальних електронів і складаються з двох протонів і двох нейтронів, зчеплених разом. Мають позитивний заряд, відносно важкі, у міру проходження через речовину виробляють іонізацію речовини великої густини.

Зазвичай а-частки випускаються при радіоактивному розпаді природних важких елементів (радій, торій, уран, полоній та ін.).

Заряджені частинки (електрони та ядра атомів гелію), проходячи через речовину, взаємодіють з електронами атомів, втрачаючи при цьому 35 і 34 еВ відповідно. У цьому одна половина енергії витрачається на іонізацію (відрив електрона від атома), іншу — на збудження атомів і молекул середовища (переведення електрона більш віддалену від ядра оболонку).

Число іонізованих і збуджених атомів, що утворюються а-частинкою на одиниці довжини шляху в середовищі, у сотні разів більше, ніж у р-частки (табл. 5.1).

Таблиця 5.1. Пробіг а- та в-часток різної енергії в м'язовій тканині

Енергія частинок, МеВ	Пробіг, мкм	Енергія частинок, МеВ	Пробіг, мкм	Енергія частинок, МеВ	Пробіг, мкм


	—

Це зумовлено тим, що маса а-частки приблизно в 7000 разів більша за масу в-частки, отже, при одній і тій же енергії її швидкість значно менше, ніж у в-частки.

А-частки, що випускаються при радіоактивному розпаді, мають швидкість приблизно 20 тис. км/с, тоді як швидкість-часток близька до швидкості світла і становить 200...270 тис. км/с. Очевидно, що чим менша швидкість частинки, тим більша ймовірність її взаємодії з атомами середовища, а отже, більше й втрати енергії на одиниці шляху в середовищі — отже, менший пробіг. З табл. 5.1 слід, що пробіг а-частинок у м'язовій тканині в 1000 разів менший за пробіг у-частинок тієї ж енергії.

Коли іонізуюче випромінювання проходить крізь живі організми, воно передає свою енергію біологічним тканинам та клітинам нерівномірно. В результаті, незважаючи на невелику кількість поглиненої тканинами енергії, деякі клітини живої матерії будуть значно пошкоджені. Сумарний ефект іонізуючого випромінювання, локалізованого в клітинах та тканинах, представлений у табл. 5.2.

Таблиця 5.2. Біологічна дія іонізуючого випромінювання

Характер впливу		Ефект впливу
Безпосередня дія випромінювань	10 -24 … 10 -4 з 10 16 … 10 8 с	Поглинання енергії. Початкові взаємодії. Рентгенівське та у-випромінювання, нейтрони Електрони, протони, а-частки
	10 -12 … 10 -8 з	Фізико-хімічна стадія Перенесення енергії як іонізації на первинної траєкторії. Іонізовані та електронно-збуджені молекули
	10 7 …10 5 с, кілька годин	Хімічні ушкодження. При моїй дії. Непряма дія. Вільні радикали, що утворюються із води. Порушення молекули до теплової рівноваги
Непряма дія випромінювань	Мікросекунди, секунди, хвилини, кілька годин	Біомолекулярні ушкодження. Зміни молекул білків, нуклеїнових кислот під впливом процесів обміну
	Хвилини, години, тижні	Ранні біологічні та фізіологічні ефекти. Біохімічні ушкодження. Загибель клітин, загибель окремих тварин
	Роки, століття	Віддалені біологічні ефекти. Стійке порушення функцій. Іонізуюче випромінювання Генетичні мутації, вплив на потомство. Соматичні ефекти: рак, лей кіз, скорочення тривалості життя, загибель організму

В основі первинних радіаційно-хімічних змін молекул можуть лежати два механізми: 1) пряма дія, коли дана молекула зазнає змін (іонізацію, збудження) безпосередньо при взаємодії з випромінюванням; 2) непряма дія, коли молекула безпосередньо не поглинає енергію іонізуючого випромінювання, а отримує її шляхом передачі від іншої молекули.

Відомо, що у біологічній тканині 60…70% маси становить вода. Тому розглянемо різницю між прямим і непрямим дією випромінювання з прикладу опромінення води.

Припустимо, що молекула води іонізується зарядженою часткою, внаслідок чого вона втрачає електрон:

Н2О -> Н20+е - .

Іонізована молекула води реагує з іншою нейтральною молекулою води, внаслідок чого утворюється високореактивний радикал гідроксилу ВІН:

Н2О+Н2О -> Н3О+ + ВІН*.

Вирваний електрон також дуже швидко передає енергію навколишнім молекулам води, при цьому виникає сильно збуджена молекула води Н2О*, яка дисоціює з освітою двох радикалів, Н* і ОН*:

Н2О+е- -> Н2О*Н' + ВІН'.

Вільні радикали містять неспарені електрони та відрізняються надзвичайно високою реакційною здатністю. Час їхнього життя у воді не більше 10-5 с. За цей час вони або рекомбінують один з одним або реагують з розчиненим субстратом.

У присутності розчиненого у воді кисню утворюються інші продукти радіолізу: вільний радикал гідропероксиду НО2, пероксид водню Н2О2 і атомний кисень:

Н * + О2 -> НО2;
АЛЕ *2 + АЛЕ2 -> Н2О2 +20.

У клітині живого організму ситуація значно складніша, ніж при опроміненні води, особливо в тому випадку, якщо поглинаючою речовиною є великі та багатокомпонентні біологічні молекули. У цьому випадку утворюються органічні радикали D*, які також відрізняються вкрай високою реакційністю. Маючи в своєму розпорядженні велику кількість енергії, вони легко можуть призвести до розриву хімічних зв'язків. Саме цей процес і відбувається найчастіше у проміжку між утворенням іонних пар та формуванням кінцевих хімічних продуктів.

З іншого боку, біологічна дія посилюється з допомогою впливу кисню. Високореакційний продукт DО2* (D* + О2 -> DО2*), що утворюється в результаті взаємодії вільного радикалу з киснем, призводить до утворення нових молекул в опромінюваній системі.

Отримані в процесі радіолізу води вільні радикали і молекули окислювача, володіючи високою хімічною активністю, вступають у хімічні реакції з молекулами білка, ферментів та інших структурних елементів біологічної тканини, що призводить до зміни біологічних процесів в організмі. Внаслідок цього порушуються обмінні процеси, пригнічується активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється зростання тканин, виникають нові хімічні сполуки, не властиві організму, — токсини. Це призводить до порушення життєдіяльності окремих систем чи організму загалом.

Індуковані вільними радикалами хімічні реакції залучають до цього багато сотень і тисяч молекул, не порушених випромінюванням. У цьому полягає специфіка дії іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти. Ніякий інший вид енергії (теплової, електричної та інших.), поглиненої біологічним об'єктом у тому кількості, не призводить до змін, які викликає іонізуюче випромінювання.

Небажані радіаційні ефекти впливу опромінення на організм людини умовно поділяються на соматичні (soma - по-грецьки "тіло") та генетичні (спадкові).

Соматичні ефекти виявляються безпосередньо у самого опроміненого, а генетичні – у його потомства.

За останні десятиліття людиною було створено велику кількість штучних радіонуклідів, використання яких є додатковим навантаженням до природного радіаційного фону Землі та збільшує дозу опромінення людей. Але, спрямовані виключно на використання в мирних цілях, іонізуючі випромінювання корисні для людини, і сьогодні важко вказати галузь знань чи народного господарства, яка не використовує радіонукліди або інші джерела іонізуючих випромінювань. Вже до початку 21 століття «мирний атом» знайшов своє застосування в медицині, промисловості, сільському господарстві, мікробіології, енергетиці, освоєнні космосу та інших галузях.

Види випромінювання та взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною

Застосування ядерної енергії стало життєво важливою необхідністю існування сучасної цивілізації і водночас величезною відповідальністю, оскільки використовувати це джерело енергії необхідно максимально раціонально та обережно.

Корисна особливість радіонуклідів

Завдяки радіоактивному розпаду радіонуклід «подає сигнал», визначаючи цим своє місцезнаходження. Використовуючи спеціальні прилади, що фіксують сигнал від розпаду навіть одиничних атомів, вчені навчилися використовувати ці речовини як індикатори, які допомагають досліджувати різні хімічні та біологічні процеси, що проходять у тканинах і клітинах.

Види техногенних джерел іонізуючого випромінювання

Усі техногенні джерела іонізуючого випромінювання можна поділити на два види.

Медичні - використовуються як для діагностики захворювань (наприклад, рентгенівський та флюорографічний апарати), так і для проведення радіотерапевтичних процедур (наприклад, радіотерапевтичні установки для лікування раку). Також до медичних джерел ІІ належать радіофармацефтичні препарати (радіоактивні ізотопи або їх сполуки з різними неорганічними або органічними речовинами), які можуть застосовуватися як для діагностики захворювань, так і для їх лікування.
Промислові - вироблені людиною радіонукліди та генератори:
- в енергетиці (реактори атомних електростанцій);
- у сільському господарстві (для селекціонування та дослідження ефективності добрив)
- у оборонній сфері (паливо для атомоходів);
- у будівництві (неруйнівний контроль металоконструкцій).

За статичними даними, обсяг виробництва радіонуклідної продукції на світовому ринку у 2011 році становив 12 млрд. доларів, а до 2030 року очікується шестиразове збільшення цього показника.

Іонізуюче випромінювання - це сукупність різних видів мікрочастинок і фізичних полів, що мають здатність іонізувати речовину, тобто утворювати в ньому електрично заряджені частинки - іони. Розрізняють декілька видів іонізуючих випромінювань: альфа-, бета-, гамма-випромінювання, а також нейтронне випромінювання.

Альфа-випромінювання

Бета-випромінювання

Фотонне випромінювання: гамма-випромінювання та рентгенівське випромінювання

Нейтронне випромінювання

Джерелом виникнення нейтронного випромінювання можуть бути ядерні вибухи, ядерні реактори, лабораторні та промислові установки. Самі нейтрони є електрично нейтральні, нестабільні (період напіврозпаду вільного нейтрону становить близько 10 хвилин) частинки, які завдяки тому, що у них відсутній заряд, відрізняються великою проникаючою здатністю при слабкому ступені взаємодії з речовиною. Нейтронне випромінювання дуже небезпечне, тому для захисту від нього використовують ряд спеціальних, в основному водневмісних матеріалів. Найкраще нейтронне випромінювання поглинається звичайною водою, поліетиленом, парафіном, а також розчинами гідроксидів важких металів.

Як іонізуючі випромінювання впливають на речовини?

Перші дослідження іонізуючого випромінювання було проведено наприкінці ХІХ ст. 1895 р. німецький фізик В.К. Рентген відкрив «Х-промені», названі згодом рентгенівським випромінюванням. У 1896 р. французький фізик А. Беккерель виявив сліди природної радіоактивності солей урану на фотографічних платівках. У 1898 р. подружжя Марія та П'єр Кюрі встановили, що уран після випромінювання перетворюється на інші хімічні елементи. Один з цих елементів вони назвали «радій» (Ra) (від латів. «Промені, що випускають»).

Іонізуюче випромінювання – це випромінювання, взаємодія якого із середовищем призводить до утворення іонів різних знаків. Іонізуючі випромінювання поділяються на корпускулярне та фотонне.

До корпускулярного випромінювання відносяться: a, b-, протонні та нейтронні випромінювання.

a-випромінювання- Це потік ядер гелію, що утворюються при радіоактивному розпаді. Вони мають масу 4 та заряд +2. До a-випромінювачів відносяться близько 160 природних та техногенних радіонуклідів, більшість яких знаходяться наприкінці періодичної системи елементів (заряд ядра > 82). a-частки поширюються у середовищах прямолінійно, мають незначний пробіг (відстань, на якій частки втрачають свою енергію, взаємодіючи з речовиною): у повітрі – менше 10 см; у біологічних тканинах 30-150 мкм. a - частинки мають високу іонізуючу і низьку проникаючу здатність.

b-випромінювання– це потік електронів та позитронів. Їх маса в десятки тисяч разів менша за масу a-частинок. До b-випромінювачів відносяться близько 690 природних та техногенних випромінювачів. Пробіг b-частинок становить у повітрі кілька метрів, а в біологічних тканинах – близько 1 см. Вони мають більш високу, ніж a – частинки, що проникає здатністю, але меншою іонізуючою.

Протонне випромінювання- Потік ядер водню.

Нейтронне випромінювання- Потік ядерних частинок, що не мають заряду з масою, близькою до маси протона. Вільні нейтрони захоплюються ядрами. При цьому ядра переходять у збуджений стан і діляться з виділенням g-квантів, нейтронів і нейтронів, що запізнюються. Завдяки нейтронам, що запізнюються, реакція поділу в ядерних реакторах є керованою. Нейтронне випромінювання має більш високу іонізуючу здатність порівняно з іншими видами корпускулярного випромінювання.

Фотон- Це квант енергії електромагнітного випромінювання високої частоти. Фотонне випромінювання ділиться на рентгенівське та g-випромінювання. Вони мають високу проникаючу і малу іонізуючу здатність.

Рентгенівське випромінювання– це штучне електромагнітне випромінювання, що у рентгенівських трубках («Х – промені»).

g-випромінювання – це електромагнітне випромінювання природного походження. g-промені поширюються прямолінійно, не відхиляються в електричних та магнітних полях, мають великий пробіг у повітрі.

Безпосередньо іонізуюче випромінювання– це випромінювання, що складається із заряджених частинок, наприклад, a, b-часток. Непрямо іонізуюче випромінювання - це випромінювання, що складається з незаряджених частинок, наприклад, нейтронів або фотонів. Вони створюють вторинне випромінювання у середовищах, якими проходять.

Іонізуюче випромінювання описується такими фізичними величинами

Активність речовини Aвизначається швидкістю радіоактивного розпаду:

де: dN - Число спонтанних ядерних перетворень за час dt.

Одиниці активності:

у системі СІ - Беккерель: 1 Бк = 1 розп/с

позасистемна одиниця - Кюрі: 1 Кі = 3.7. 10 10 расп/с, що відповідає активності 1 р чистого Ra.

Період напіврозпаду Т 1/2– час, необхідний зменшення активності радіонуклідів вдвічі. Для U-238 Т 1/2 = 4,56. 10 9 років, для Rа-226 Т 1/2 = 1622 року.

Експозиційна доза X- Енергія іонізуючого випромінювання, що викликає освіту в повітрі заряду dQ одного знака в елементарному обсязі, масою dm.

Одиниці експозиційної дози:

у системі СІ 1 Кл/кг = 3880 Р.

позасистемна одиниця – Рентген: 1 Р

Поглинена доза D визначається кількістю поглиненої енергії dE на одиницю маси речовини, що опромінюється dm.

Одиниці поглиненої дози:

в системі СІ Грей: 1 Гр

позасистемна одиниця 1 рад = 0,01 Гр

1 Р = 0.87 рад

1 рад = 1.14 Р

Назва "рад" - від перших літер терміну "radiation absorbed dose".

Еквівалентна доза H Rпоказує небезпеку різних видів радіаційного опромінення біологічних тканин і дорівнює:

де: W R - Ваговий коефіцієнт, що відображає небезпеку того чи іншого виду іонізуючого випромінювання для організму.

рентгенівське, g-випромінювання, b-випромінювання W R = 1;

нейтрони W R = 5-20;

a-частки W R = 20.

Одиниці еквівалентної дози:

в системі СІ 1 Зв на честь шведського вченого Зіверта

позасистемна одиниця - 1 бер = 0.01 Зв

бер - біологічний еквівалент рада.

Ефективна еквівалентна доза H E- Це величина ризику виникнення віддалених наслідків опромінення всього тіла людини та окремих її органів з урахуванням їх радіочутливості. Різні органи та тканини мають різну чутливість до опромінення. Наприклад, при однаковій еквівалентній дозі опромінення H R виникнення раку легень ймовірніше, ніж щитовидної залози. Тому введено поняття ефективної еквівалентної дози.

де: W T - Ваговий коефіцієнт для біологічної тканини.

У цьому розділі ми розглянемо основні властивості іонізуючих випромінювань, які у медицині, і обговоримо процеси взаємодії з речовиною.

Види іонізуючих випромінювань

Почнемо із визначення деяких понять.

Альфа-випромінювання - корпускулярне випромінювання, що складається з а-часток (ядер 4 Не), що випромінюються при радіоактивному розпаді ядер або при ядерних реакціях.Анігіляційне випромінювання - фотонне випромінювання, що виникає в результаті анігіляції частки та античастинки (наприклад, при взаємодії р-електрона та /? +-позитрона).

Бета-випромінювання - корпускулярне випромінювання з безперервним енергетичним спектром, що складається з негативно заряджених електронів (р-частки) або позитивно заряджених позитронів (р*-частки) і виникає при радіоактивному Р-розпаді ядер або нестабільних елементарних частинок. Характеризується граничною (максимальною) енергією електронів (позитронів).Гамма-випромінювання - фотонне випромінювання, що виникає при ядерних перетвореннях або анігіляції частинок (діапазон енергій від десятків кеВ до кількох МеВ).

Іонізуюче випромінювання» (радіація) - вид випромінювання, який змінює фізичний стан атомів або атомних ядер, перетворюючи їх на електрично заряджені іони або продукти ядерних реакцій (видиме світло та ультрафіолетове випромінювання не відносять до іонізуючих випромінювань).

Корпускулярне випромінювання - іонізуюче випромінювання, що складається з частинок з масою, відмінною від нуля(a-,fi-часток, нейтронів та ін.).

Непрямо іонізуюче випромінювання - іонізуюче випромінювання, що складається з незаряджених частинок, які можуть створювати безпосередньо іонізуюче випромінювання та (або) викликати ядерні перетворення (непрямо іонізуюче випромінювання може складатися з нейтронів, фотонів та ін.).

Нейтронне випромінювання - Потік нейтронів, які перетворюють свою енергію на пружні та непружні взаємодії з ядрами атомів.

Протонне випромінювання - випромінювання, що утворюється в процесі мимовільного розпаду нейтронно-дефіцитних атомних ядер або пучок на виході іонного прискорювача (наприклад, синхрофазотрона).

Рентгенівське випромінювання - фотонне випромінювання, що складається з гальмівного та (або) характеристичного випромінювання, що генерується, наприклад, рентгенівськими трубками. Займає спектральну область між гамма- та ультрафіолетовим випромінюванням у межах довжин хвиль мгз+юо нм (ю,2+ю-5 см). Енергетичний діапазон ЮО эВ-ю,1 МеВ. Рентгенівські промені з довжиною хвилі менше 0,2 нм (Е>50кеВ) називаються жорсткими, з довжиною хвилі більше про 2 нм (E

Синхротронний (або магнітогальмівний)випромінювання - електромагнітне випромінювання, що випускається зарядженими частинками, що рухаються по викривленим магнітним полем траєкторіям з релятивістськими швидкостями.Гальмівне випромінювання - електромагнітне випромінювання, що випускається зарядженою часткою при її розсіюванні (гальмуванні) в електричному полі, характеризується безперервним енергетичним спектром. Іноді поняття гальмівного випромінювання включають також випромінювання релятивістських заряджених частинок, що рухаються в макроскопічних магнітних полях (синхротронне випромінювання).

Фотонне випромінювання - електромагнітне опосередковано іонізуюче випромінювання, що виникає при зміні енергетичного стану атомних ядер або при анігіляції частинок.

Характеристичне випромінювання - фотонне випромінювання з дискретним енергетичним спектром, що виникає за зміни енергетичного стану електронів атома.

Табл. 1. Властивості деяких видів корпускулярної радіації.

До іонізуючих випромінювань відносять фотони електромагнітного випромінювання (у-і рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі менше 20 нм) та корпускулярні випромінювання. Фотонне випромінювання з енергією від 50 еВ до 500 еВ називають рентгенівським випромінюванням, а при вищих енергіях - гамма-випромінюванням. Іонізуюче електромагнітне випромінювання може бути у-випромінюванням, супутнім p-розпаду або що виникло при анігіляції позитронів, а може бути рентгенівським гальмівним або характеристичним випромінюванням.

Електролгнітне випромінювання - обурення електромагнітного поля, що поширюється в просторі (тобто взаємодіють один з одним електричного і магнітного полів).

Електромагнітне випромінювання - комбінація електричного та магнітного полів, що синусоїдально змінюються в просторі та часі. Швидкість руху хвилі, і[м/с], пов'язана з довжиною хвилі, Л [м], і частотою коливань, v : і-Л-v, а оскільки ізазвичай постійна, то v=c/A, с=з-ю 8 м/с - швидкість світла.

Енергія електромагнітного випромінювання (еВ):

де h= 6,626-10-34 Джс = 4,135 Ю, 5 еВс.

Електромагнітне випромінювання має широкий спектр енергій і різні джерела: випромінювання атомних ядер і гальмівне випромінювання прискорених електронів, радіохвилі та ін. (Табл. 1, рис. l). На шкалі електромагнітних хвиль у-випромінювання межує з жорстким рентгенівським випромінюванням, займаючи область більш високих частот. Воно виникає при розпаді радіоактивних ядер і елементарних частинок, взаємодії швидких заряджених частинок з речовиною, анігіляції електронно-позитронних пар та ін Гамма-випромінювання має малу довжину хвилі (Лею нм) і яскраво виражені корпускулярні властивості, тобто. веде себе подібно до потоку частинок (у-квантів, або фотонів) з енергією /iv.

У медицині широко застосування знаходить гальмівне випромінювання, що виникає під час проходження прискорених електронів у середовищі. Залежно від енергії електромагнітного випромінювання, що виникає, його відносять до рентгенівського випромінювання (енергії десятки і сотні кеВ) або до у-випромінювання (енергії одиниці або десятки МеВ, але на прискорювачах досягають енергій в кілька десятків ГеВ). Випромінювання рентгенівського діапазону зазвичай одержують за допомогою рентгенівських трубок.

Інтенсивність гальмівного випромінювання пропорційна квадрату прискорення зарядженої частки. Так як прискорення назад пропорційно масі частинки, то в тому самому полі гальмівне випромінювання електрона в мільйони разів потужніше випромінювання протона. Тому найчастіше використовується гальмівне випромінювання, що виникає при розсіюванні електронів в електростатичному полі атомних ядер та електронів.

Мал. 1.

Спектр фотонів гальмівного випромінювання безперервний і обривається при максимально можливій енергії, що дорівнює початковій енергії електрона. Так як інтенсивність гальмівного випромінювання пропорційна Z 2 то для збільшення виходу фотонів гальмівного випромінювання в електронних пучках використовуються мішені з речовин з великими Z.

До корпускулярного іонізуючого випромінювання відносять a-випромінювання, електронне, протонне, нейтронне та мезонне випромінювання. Корпускулярне випромінювання, що складається з потоку заряджених частинок (а-, (3-часток, протонів, електронів), кінетична енергія яких достатня для іонізації атомів при зіткненні з ними, відноситься до класу безпосередньо іонізуючого випромінювання. Нейтрони самі не виробляють іонізацію, але взаємодії з середовищем вивільняють заряджені частинки (електрони, протони), здатні іонізувати атоми і молекули середовища, через яке проходять.

Нейтрони значно різняться за своїми енергіям. Для енергетичної характеристики нейтронного випромінювання використовують поняття спектра нейтронів. Нейтрони кваліфікують за швидкістю руху:

- релятивістські нейтрони, з енергією понад 10 ю еВ;
- швидкі нейтрони, з енергією більше o.i МеВ (іноді більше i МеВ)
- Повільні нейтрони – нейтрони з енергією менше юо Кев. або за «температурою»:
- надтеплові нейтрони, з енергією від 0.025 до 1 еВ;
- гарячі нейтрони, з енергією близько 0.2 еВ;
- теплові нейтрони, з енергією приблизно 0,025 еВ;
- холодні нейтрони, з енергією від 510-5 еВ до 0.025 еВ;
- Дуже холодні нейтрони з енергією 2*10-? - 5*10-5 еВ;
- Ультрахолодні нейтрони, з енергією менше 2 * 10-? еВ.

Взаємодія нейтронів з атомами є слабкою, що дозволяє нейтронам глибоко проникати в речовину.

Електронне випромінювання зазвичай пучок електронів на виході електронного прискорювача. Воно характеризується середньою енергією випромінювання та дисперсією (розкидом), а також шириною пучка. Спеціальними заходами можна отримати вузький моноенергетичний пучок високоенергетичних електронів.

Бета-випромінювання супроводжує найпоширеніший тип радіоактивного розпаду ядер – p-розпад. Оскільки швидкість р-часток значно вища за швидкість а-часток, вони рідше взаємодіють з атомами середовища; щільність іонізації на одиницю пробігу у них у сотні разів нижче, ніж у а-часток, а пробіг у повітрі досягає ю м. У біологічній м'якій тканині пробіг дорівнює 10+12 мм. Поглинається таке випромінювання шаром алюмінію завтовшки 1 мм. На відміну від електронного випромінювання, p-випромінювання супроводжується потоком антинейтрино для електронів та нейтрино для позитронів. Позитронне випромінювання супроводжується ще й анігіляційним у-випромінюванням (з енергією 0,51 та/або 1,02 МеВ).

До фотонних ІІ відносяться -випромінювання радіоактивних речовин, характеристичне та гальмівне випромінювання, що генеруються різними прискорювачами. ЛПІ фотонного випромінювання найнижча (1-2 пари іонів на 1 см 3 повітря), що визначає його високу проникаючу здатність (у повітрі довжина пробігу становить кілька сотень метрів).

-випромінювання виникає при радіоактивному розпаді. Перехід ядра із збудженого в основний стан супроводжується випромінюванням -кванту з енергіями від 10 кэВ до 5 МеВ. Основними терапевтичними джерелами випромінювання є апарати (гармати).

Гальмівне рентгенівське випромінювання виникає за рахунок прискорення та різкого гальмування електронів у вакуумних системах різних прискорювачів та відрізняється від рентгенівського більшою енергією квантів (від одного до десятків МеВ).

При проходженні потоку фотонів через речовину відбувається його ослаблення внаслідок наступних процесів взаємодії (тип взаємодії фотонів з атомами речовини залежить від енергії фотонів):

Класичне (когерентне, або томпсонівське, розсіювання) - Для фотонів з енергією від 10 до 50-100 кеВ. Відносна частота цього ефекту мала. Відбувається взаємодія, яка істотної ролі не грає, оскільки квант, зіткнувшись з електроном, відхиляється, і його енергія не змінюється.

Фотоелектричне поглинання (фотоефект) - при відносно малих енергіях – від 50 до 300 кеВ (грає істотну роль при рентгенотерапії). Падаючий квант вибиває орбітальний електрон з атома, сам при цьому поглинається, а електрон, трохи змінивши напрямок, відлітає. Цей електрон, що відлетів, називається фотоелектроном. Таким чином, енергія фотона витрачається на роботу виходу електрона та надання йому кінетичної енергії.

Ефект Комптону (некогерентне розсіювання) - виникає при енергії фотона від 120 кеВ до 20 МеВ (тобто практично весь спектр променевої терапії). Падаючий квант вибиває електрон із зовнішньої оболонки атома, передаючи йому частину енергії, і змінює свій напрямок. Електрон вилітає з атома під певним кутом, а новий квант відрізняється від початкового як іншим напрямом руху, а й меншою енергією. Утворений квант побічно іонізуватиме середовище, а електрон - прямо.

Процес утворення електронно-позитронних пар - енергія кванта має бути більше 1,02 МеВ (подвоєної енергії спокою електрона). З цим механізмом доводиться зважати при опроміненні хворого на пучок гальмівного випромінювання високої енергії, тобто на високоенергетичних лінійних прискорювачах. Поблизу ядра атома падаючий квант зазнає прискорення і зникає, перетворюючись на електрон і позитрон. Позитрон швидко поєднується із зустрічним електроном, і відбувається процес анігіляції (взаємного знищення), а натомість виникають два фотони, енергія кожного з яких вдвічі менша за енергію вихідного фотона. Таким чином, енергія первинного кванта переходить у кінетичну енергію електрона та в енергію анігіляційного випромінювання.

Фото ядерне поглинання - енергія квантів має бути більшою за 2,5 МеВ. Фотон поглинається ядром атома, у результаті ядро перетворюється на збуджений стан може або віддати електрон, або розвалитися. Таким чином виходять нейтрони.

В результаті перерахованих вище процесів взаємодії фотонного випромінювання з речовиною виникає вторинне фотонне і корпускулярне випромінювання (електрони і позитрони). Іонізаційна здатність частинок значно більша, ніж фотонного випромінювання.

Просторове ослаблення пучка фотонів відбувається за експоненційним законом (законом зворотних квадратів): інтенсивність випромінювання обернено пропорційна квадрату відстані до джерела випромінювання.

Випромінювання в діапазоні з енергією від 200 кеВ до 15 МеВ знайшло найширше застосування в терапії злоякісних новоутворень. Велика проникаюча здатність дозволяє передавати енергію глибоко розташованим пухлинам. При цьому різко знижується променеве навантаження на шкіру та підшкірну клітковину, що дозволяє підвести необхідну дозу до вогнища ураження без променевого пошкодження вказаних ділянок тіла (на відміну від м'якого рентгенівського випромінювання). Зі збільшенням енергії фотонів більше 15 МеВ збільшується ризик променевого ураження тканин на виході з пучка.