Ионизирующее излучение и дозиметрия. Электромагнитное и

Ионизирующее излучение и дозиметрия.
Электромагнитное и корпускулярное излучение. Типы ионизирующего излучения:
альфа, бета, гамма. Линейная передача энергии и проникающая способность излучения.
Коэффициент качества.
Дозиметрия. Экспозиционная, поглощенная, суммарная, эффективная и эквивалентная
доза излучения. Дозиметрическая аппаратура. Годовая эквивалентная доза. Мощность
дозы, единицы измерения.
Электромагнитное и корпускулярное излучение.
Ионизирующие излучения получили свое название благодаря способности вызывать
ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Элементарный акт взаимодействия
излучения с веществом — поглощение энергии кванта атомом или молекулой, приводящее к
высвобождению электрона — ионизации. При каждом акте ионизации высвобождается
энергия в размере 33 эВ, что превышает энергию, требуемую для разрыва любых связей
между атомами в молекуле.
Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе на электромагнитные и
корпускулярные. Электромагнитные излучения — это рентгеновское излучение и γизлучение радиоактивных элементов. Видимый свет и радиоволны — тоже
электромагнитные излучения, но они не ионизируют, ибо характеризуются большей длиной
волны и соответственно меньшей энергией, передаваемой атомам, которая недостаточна для
отрыва электрона.
Все остальные виды ионизирующих излучений имеют корпускулярную природу. К
корпускулярным излучениям относятся β-частицы (отрицательно заряженные электроны и
положительно заряженные позитроны), α-частицы, состоящие из двух протонов и двух
нейтронов, ускоренные ионы — атомы различных элементов, лишенные электронов, а также
внутриядерные частицы. К корпускулярным излучениям относятся и не имеющие заряды
ядерные частицы — нейтроны.
К электромагнитным ионизирующим излучениям относится рентгеновское и γизлучение.
Типы ионизирующего излучения: альфа, бета, гамма.
Альфа-распад. Этот вид ядерных превращений сопровождается испусканием из ядра
альфа - частицы, представляющей собой ядро атома гелия, что приводит к уменьшению
порядкового номера нового химического элемента на 2 единицы и массового числа (атомной
массы) на 4 единицы. Этот вид ядерных превращений характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами
Альфа-частицы имеют положительный заряд, скорость распространения 20000 км/c,
обладают большой массой - 4,003 а.е.м., большой энергией - 2-11 МэВ (мегаэлектронвольт),
проникающая способность в воздухе 2-10 см, в биологических тканях - несколько десятком
микрометров.
Проходя через вещество, положительно заряженная альфа частица постепенно теряет
свою энергию за счет взаимодействия с электронами атомов или других отрицательно
заряженных частиц, вызывая их ионизацию, часть энергии теряется на возбуждение атомов и
молекул. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100-250 тыс. пар ионов, при
попадании в организм они крайне опасны для человека и животных (плотно ионизирующее
радиоактивное излучение).
Бета-распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных элементов
претерпевают распад с испусканием электронов и позитронов. Электроны и позитроны,
испускаемые ядрами, называются бета-частицами или бета- излучением, а сами ядра - бетаактивными. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный бета1
распад. При этом виде ядерных превращений один из нейтронов превращается в протон, а
ядро испускает электрон и антинейтрино и возникает ядро нового элемента при
неизменном массовом числе.
Бета-частицы (бета-излучение) распространяются со скоростью света, проникающая
способность в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях - до 1 см, в воздухе на 1 см
пробега образует 50-100 пар ионов (редко ионизирующее излучение).
Гамма-излучение
это
коротковолновое
электромагнитное
излучение,
распространяется прямолинейно со скоростью света, энергия его колеблется от 0,01 МэВ до
3 МэВ. Гамма-кванты испускаются при альфа- и бета-распадах ядра природных и
искусственных радионуклидов, лишены массы покоя, не имеют заряда, поэтому
проникающая способность в воздухе составляет 150 метров, в биологических тканях - десятки см.
Рентгеновское излучение также является электромагнитным излучением, возникает
при торможении электронов в электрическом поле ядра атомов (тормозное рентгеновское
излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и
возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение).
Это излучение, генерируемое при потенциале на трубке в десятки кВ, используется для
диагностики, так как на его поглощение сильно влияет атомный номер поглощающего вещества — именно поэтому на рентгеновских снимках так хорошо различимы кости и
металлические предметы.
Линейная передача энергии и проникающая способность излучения.
Корпускулярные и электромагнитные излучения различаются пространственным
распределением вызываемых ими актов ионизации. Энергию, переданную заряженной
частицей на единице длины ее пробега в веществе, называют линейной передачей энергии
(ЛПЭ) и измеряют в кэВ/мкм.
Понятие ЛПЭ было введено Р. Цирклем в 1954 г. В зависимости от значения ЛПЭ, а
следовательно, от плотности ионизации, все ионизирующие излучения делят на
редкоионизирующие (ЛПЭ < 10кэВ/мкм) и плотноионизирующие ( Л П Э > 10кэВ/мкм). ЛПЭ
связана как с физической природой излучения, так и с энергией кванта или частицы.
Например, в современных ускорителях тяжелые частицы разгоняют до столь больших
энергий, что их скорость приближается к скорости света. В этом случае ЛПЭ всех частиц
снижается до минимального значения, характерного для редкоионизирующих легких частиц
(например, электронов) с энергией 1 МэВ. Поэтому при очень большой скорости движения
быстрые протоны и электроны имеют одинаковую ЛПЭ, несмотря на отличие по массе в
1800 раз.
ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэтому в конце
пробега передача энергии заряженной частицей веществу максимальна, что приводит к характерному распределению ионизации, описываемому так называемой кривой Брэгга. Эту
особенность взаимодействия моноэнергетических тяжелых ядерных частиц с веществом, а
именно повышение дозы на глубине с последующим ее спадом до нуля, используют при
лечении опухолей, так как она позволяет сосредоточить значительную энергию именно на
пораженной ткани, избегая облучения находящихся за опухолью тканей; к тому же тяжелые
заряженные частицы характеризуются минимальным боковым рассеянием походу пучка.
При облучении клеток ионизирующими излучениями величина поглощенной дозы
показывает лишь среднее количество энергии, переданной облучаемой системе. О плотности
ионизации в клетке можно судить по величине ЛПЭ. Если движущаяся частица производит
ионизации, значительно удаленные друг от друга, то вероятность возникновения нескольких
ионов в пределах макромолекулы, субклеточной органеллы или клетки в целом сравнительно невелика.
2
Напротив, когда акты ионизации следуют непрерывно вдоль трека частицы, можно
ожидать возникновения многих ионов в пределах одной субклеточной структуры, например
двух ионизации в комплементарных участках двухнитевой молекулы ДНК. Конечно,
биологические последствия поражения (в результате ионизации) обеих нитей этой
уникальной молекулярной структуры значительно ощутимее для клетки, чем разрушение
какого-либо участка одной спирали ДНК при сохранении целостности комплементарной
цепи. Так как с ростом линейной плотности ионизации возрастает вероятность именно
такого «двухнитевого разрыва», ясно, что плотноионизирующие частицы (с высоким ЛПЭ)
должны значительно эффективнее поражать ДНК и связанные с ней клеточные функции, чем
редкоионизирующее излучение.
Коэффициент качества.
Чем выше удельная ионизация, тем больше эффект биологического действия
облучения. Поэтому одна и та же поглощенная доза различных видов ИИ приводит к разной
степени поражения организма. В связи с этим в радиобиологии введено понятие
относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициента качества (КК) или
взвешивающие коэффициенты (по НРБ-99) ионизирующих излучений. Средние значения их
следующие:
фотоны любых энергий
- 1;
электроны и мюоны любых энергий - 1;
протоны с энергией более 2 МэВ - 5;
3
нейтроны с энергией:
менее 10 кэВ (медленные, тепловые и промежуточные) - 5;
от 10 до 100 кэВ
- 10;
от 100 кэВ до 2 МэВ (быстрые)
- 20;
от 2 МэВ до 20 МэВ (быстрые)
- 10;
более 20 МэВ (быстрые)
- 5;
альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра- 20.
( Мюоны - элементарные заряженные частицы с массой около 207 электронных масс (ц
- мю + мезоны). Быстрые нейтроны -с энергией более 100 кэВ, промежуточные - от 100 до 1
кэВ, медленные - менее 1 кэВ, тепловые - около 0,025 эВ).
С ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к
восстановлению.
Гибель клетки происходит после поглощения достаточного количества энергии в
некотором критическом объеме. С ростом ЛПЭ такая вероятность увеличивается. Но после
некоторых величин ЛПЭ наступает насыщение, и каждая последующая частица теряет
энергию уже в убитой клетке; следовательно, эффективность излучений с такой достаточно
высокой ЛПЭ падает, так как энергия расходуется вхолостую. После оптимального значения
ЛПЭ, когда наблюдается максимум пораженных единиц на единицу дозы (т. е.
разменивается ровно столько энергии, сколько нужно для поражения всех мишеней),
наступает эффект избыточного поражения («перепоражения», overkill).
Дозиметрия. Экспозиционная, поглощенная, суммарная, эффективная и
эквивалентная доза излучения. Годовая эквивалентная доза. Мощность дозы, единицы
измерения.
Дозу падающего на объект излучения можно оценить, преобразуя его в теплоту и
измеряя повышение температуры. Однако при дозах, используемых в радиобиологии,
количество образующейся теплоты столь ничтожно, что его измерение представляется
трудной задачей. Поэтому на практике для оценки доз применяют другие физические и
химические методы. Для этого используют ионизационные камеры (измеряют электрический
ток, возникающий вследствие ионизации содержащегося в камерах газа), различные
химические системы (учитывают выход определенных веществ в процессе радиолиза.
Общее представление о количестве падающей на объект энергии излучения за время
облучения может быть получено измерением так называемой экспозиционной дозы ( X ) .
X = da/dm,
где da — полный заряд ионов одного знака, возникающих в воздухе при торможении
всех вторичных электронов, образованных фотонами в малом объеме воздуха; dm — масса
воздуха в этом объеме. Единица экспозиционной дозы выражается в кулонах на килограмм
(Кл/кг) и позволяет лишь ориентировочно оценивать степень повреждения объекта,
поскольку оно может вызываться только поглощенной объектом энергией.
Поэтому необходимо определять количество энергии, выделяющейся в облучаемом материале, т. е. величину поглощенной дозы (D) излучения, под которой понимают среднюю
энергию dE, переданную излучением веществу в некотором элементарном объеме,
деленную на массу вещества dm в этом объеме: D = dE/dm. Единицей поглощенной дозы
служит грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.
Комитет по ОБЭ Международной комиссии по радиологическим единицам и
измерениям предложил оставить концепцию ОБЭ только в случаях, когда могут быть строго
учтены все условия эксперимента, а различия в биологическом действии сравниваемых
видов излучения определяются лишь свойствами последних. Во всех остальных случаях
знание величины поглощенной дозы еще недостаточно для точного предсказания ни степени
4
тяжести, ни вероятности возникновения эффектов поражения. Поэтому Для целей
радиационной защиты введены два другие понятия: эквивалентная доза и эффективная доза,
которые лучше коррелируют с возможными неблагоприятными последствиями профессионального облучения.
При оценке радиационной опасности отдаленных последствий применяют понятие
эквивалентной дозы, которая определяется как средняя величина поглощенной дозы в том,
или ином органе или ткани с учетом фактора качества (взвешивающего коэффициента)
излучения. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).
Если биологический объект облучается различными видами излучения одновременно
(смешанный источник ИИ), то эквивалентная доза облучения равна сумме поглощенных доз
от каждого вида излучения, умноженной на средний коэффициент качества (КК или ОБЭ).
Разные органы и ткани имеют разную чувствительность к излучению. Для случаев
неравномерного облучения разных органов или тканей человека введено понятие
эффективной эквивалентной дозы.
Помимо перечисленных понятий, в радиационной безопасности широко используются
термины годовой и коллективной эффективной или эквивалентной дозы.
Годовая эффективная (эквивалентная) доза - это сумма эффективной
(эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой
дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением за этот же год в организм
радионуклидов.
Коллективная эффективная доза - это мера коллективного риска возникновения
стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных коллективных доз; она
измеряется в человеко-зивертах (чел. х Зв).
Распределение дозы различных по ЛПЭ излучений во времени может значительно и поразному сказываться на непосредственных эффектах и особенно на отдаленных
последствиях облучения, в связи с чем определению временного распределения дозы в радиобиологии уделяют серьезное внимание.
Для характеристики распределения поглощенной дозы во времени используют
величину мощности поглощенной дозы, или интенсивности облучения. Мощность дозы
(P) - это доза излучения (D) отнесенная к единице времени t: P = D / t.
Мощность экспозиционной дозы в системе СИ измеряется в ампер на килограмм
(А\кг), внесистемная единица - в рентген в час (Р/ч) или в других дольных и кратных
величинах:
1 А/кг = 3876 Р/с, 1 Р/с = 2,58 х 10-4 А/кг.
Под радиационным фоном понимают именно мощность экспозиционной дозы
ионизирующих излучений в воздухе, уровень его для средней полосы России составляет 4-40
мкР/ч (микрорентген в час).
Согласно рекомендациям Международной комиссии по радиационной защите (МКЗР)
и Всемирного общества здравоохранения (ВОЗ) радиационный уровень, соответствующий
естественному фону 0,1-0,2 мкЗв/ч (10-20 мкР/ч), признано считать нормальным уровнем,
уровень 0,2-0,6 мкЗв/ч (20-60 мкР/ч) считается допустимым, а уровень свыше 0,6-1,2 мкЗв/ч
(60-120 мкР/ч) с учетом эффекта экранирования считается повышенным.
При облучении организма различают также острое и пролонгированное (синоним —
протрагированное), однократное и многократное (синоним — фракционированное)
облучение. Под острым понимают кратковременное облучение при высокой мощности дозы
(доли грея в минуту и выше), под пролонгированным — облучение при низкой мощности
дозы (доли грея в час и ниже). Как острое, так и пролонгированное облучение может быть
однократным или фракционированным. Кроме того, известно хроническое облучение,
которое можно рассматривать как разновидность фракционированного, но проводящегося
очень длительно и в малых дозах.
5
Основные физические
биологии, и их единицы
величины,
используемые
в
радиационной
Дозиметрическая аппаратура.
Любой радиометрический прибор имеет в качестве основной части детектор (счетчик),
подающий в усилительно-измерительную схему сигналы о поступлении ионизирующих
частиц или гамма-квантов. Существуют ионизационные, полупроводниковые и
сцинтилляционные детекторы.
Ионизационные детекторы
Самым простым устройством этого типа является ионизационная камера. Она
представляет собой воздушный конденсатор, состоящий из двух металлических пластин,
расположенных на некотором расстоянии друг от друга, к которым приложена разность
потенциалов. В сеть включен гальванометр (вольтметр). В отсутствии радиации тока в цепи
не будет, поскольку воздух является изолятором. Радиоактивные частицы, попав внутрь
конденсатора, ионизируют воздух, превращая его в проводник электричества. Сила тока
измеряется гальванометром. Между силой тока (J) и количеством образовавшихся пар ионов
Схема работы ионизационной камеры
6
(N) существует прямая зависимость: J = N х е, где е - заряд иона.
По силе тока определяется интенсивность излучения. В зависимости от типа излучения
ионизационные камеры имеют те или иные особенности.
Счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой герметичный баллон (трубку),
заполненный газовой смесью из аргона и спирта с добавкой галоидов. По оси трубки
натянута нить, служащая в качестве анода. Катодом является внутреннее металлическое
покрытие баллона. На электроды подается высокое напряжение постоянного тока (400-1000
В). При попадании внутрь баллона бета-частиц или электронов, выбитых из стенок счетчика
гамма-лучами, происходит ионизация газа. В результате между электродами возникает
лавина ионов и происходит кратковременный электрический разряд. В цепи счетчика
регистрируется импульс напряжения.
Сцинтилляционные детекторы
Сущность работы сцинтилляционного счетчика заключается в регистрации вспышек
люминесценции, возникающих в некоторых кристаллах, органических жидкостях или
пластмассах при попадании в них заряженных частиц или гамма-квантов. Вспышки в
кристалле фиксируются фотокатодом и в цепи возникает импульс электрического тока.
Для фиксации вспышек применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Они
представляют собой вакуумные электронные приборы с системой умножения электронов,
выбитых световой вспышкой с поверхности фотокатода. Умножительная система состоит из
нескольких последовательно расположенных диодов (эмиттеров), покрытых специальным
слоем. Электроны, бомбардирующие диоды, выбивают из них вторичные электроны,
Рис. 3. Схема фотоэлектронного умножителя: 1 - гамма-квант; 2 - кристалллюминофор; 3 - фотокатод; 4 - эмиттеры (диноды); 5 - коллектор
количество которых минимум в 2 раза превышает число первичных электронов. С
последнего диода в усилительно-измерительную схему прибора поступает лавина
7
электронов. Благодаря ФЭУ сцинтилляционные счетчики обладают гораздо большей
чувствительностью по сравнению с газонаполненными счетчиками.
8