Что относится к фотонным излучением. Виды излучения и взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Полезная особенность радионуклидов

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.

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.

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.

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?

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).