Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Проходя через любую среду, в том числе через ткани организма чело­века, все ионизирующие излучения действуют в принципе одинако­во — передают свою энергию атомам этих тканей, вызывая их воз­буждение и ионизацию. Распределение возникающих ионов по пути следования частиц или фотонов различно, так как оно зависит от их природы и энергии.

Протоны и особенно а-частицы имеют большую массу, заряд и энер­гию, поэтому они движутся в тканях прямолинейно, образуя густые скоп­ления ионов, т.е. отмечается большая линейная потеря энергии этих частиц в тканях. Длина же их пробега зависит от исходной энергии частицы и ха­рактера вещества, в котором она перемещается. Линейная потеря энергии (ЛПЭ) = Е/Р, где Е — энергия частицы; Р — пробег ее в данной среде.

Путь электрона в ткани извилист, так как последний имеет небольшую массу и изменяет направление движения под действием электрических полей атомов. Однако электрон способен вырвать орбитальный электрон из системы встречного атома, т.е. производить ионизацию вещества. Толь­ко образующиеся пары ионов распределены по пути следования электрона гораздо менее густо, чем при движении протонного пучка или а-частиц.

Быстрые нейтроны теряют энергию главным образом в результате столкновений с ядрами водорода. Эти ядра вырываются из атомов и сами создают в тканях густые скопления ионов. После замедления движения нейтроны захватываются атомными ядрами, что может сопровождаться вы­делением гамма-квантов или протонов высокой энергии, которые в свою очередь образуют плотные скопления ионов. Часть ядер, в частности ядра атомов натрия, фосфора и хлора, вследствие взаимодействия с нейтронами становятся радиоактивными, поэтому после облучения человека потоком нейтронов в его теле остаются радионуклиды, являющиеся источником из­лучения (так называемая наведенная радиоактивность).

Таким образом, в результате взаимодействия заряженных и нейтральных частиц с атомами тканей организма человека происходит ионизация их вещества. При этом для каждого вида излучения характерно определен­ное микрораспределение ионов (энергии) в тканях.

Поток фотонов уменьшается в любой среде, в том числе в биосубстра­те, за счет двух факторов: рассеяния фотонов в пространстве и их взаимо­действия с атомами среды. Пространственное рассеивание происходит так же, как ослабление лучей видимого света: чем дальше от источника, тем в большем объеме рассеиваются фотоны и тем меньшее количество их при-

холится на единицу облучаемой поверхности. Интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения (закон «обратных квадратов»).

Типы взаимодействия фотонов с атомами среды известны читателю из курса физики. При низких энергиях фотонов (5-50 кэВ) и для веществ с небольшим порядковым номером имеет значение фотоэффект. Фотон вы­рывает орбитальный электрон из атома и придает ему определенную энер­гию. Выбитый электрон вызывает ионизацию окружающих атомов. При более высоких энергиях фотонов преобладающее значение получает второй тип взаимодействия — неупругое рассеяние электронов на атомах. В этом случае как сам фотон, так и образуемые им электроны отдачи также вызы­вают ионизацию вещества. Однако и при фотоэффекте, и при комптонов-ском неупругом рассеянии все фотоны с энергией до 1 МэВ обусловливают максимум поглощения энергии в самом поверхностном слое тканей (до 0,5 см), так как именно в этом слое образуется наибольшее количество вто­ричных электронов.

Фотоны с энергией выше 1 МэВ вызывают максимум актов ионизации в глубине тканей — тем глубже, чем больше их энергия. При высоких энер­гиях фотонов приобретает значение третий тип взаимодействия — образо­вание электронно-позитронных пар. Сам фотон исчезает, давая жизнь паре элементарных частиц — электрону и позитрону. Последний быстро теряет энергию и объединяется с встречным электроном. При этом обе частицы тоже исчезают (так называемая аннигиляция), а взамен возникают два фо­тона, которые расходятся в противоположные стороны. Энергия каждого из этих фотонов вдвое меньше энергии исходного фотона.

Таким образом, при основных типах взаимодействия тормозного излу­чения и у-излучения с веществом часть их энергии превращается в кинети­ческую энергию электронов, которые осуществляют ионизацию среды. Процесс ионизации обусловливает биологические эффекты излучений.

Дозиметрия ионизирующих излучений — специальный раздел радиацион­ной физики и техники. Дозиметрический анализ предполагает: а) из­мерение активности источника излучения; б) определение качества и количества испускаемых им излучений, т.е. создаваемого им поля из­лучения (лучевого поля); в) определение величины и распределения энергии, поглощенной в любом объекте, находящемся в сфере дейст­вия данного источника (внесенном в лучевое поле). С характеристикой источника радиолог знакомится по паспорту установки или радиоак­тивного препарата.

Единицей активности радионуклида в системе единиц СИ является бек-керель (Бк): 1 Бк равен 1 ядерному превращению за 1 с. На практике еще ис­пользуют внесистемную единицу кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 10» ядерных превраще­нии за 1 с, кратную единицу мегакюри (МКи): 1 МКи = 110^б Ки, и дольные

^е°^и?Щ%Г^мтликюР^и (t^{Ku): 1мКи = 1 10}~^{3 Ки}'> микрокюри (мкКи): 1 мкКи = , °Z *">'?^анокюР^и (*&)'• 1нКи = 1 10~> Ки = 37 ядерных превращений за J с. Нетрудно подсчитать, что 1 Бк равен 0,027 нКи.

Характеристику поля излучения получают расчетным путем (по табли­цам) или с помощью измерительных приборов. Их приемной частью - де-

текторами — служат ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилля-ционные счетчики, полупроводниковые кристаллы или химические систе­мы. Однако решающее значение для оценки возможного биологического действия излучения имеет характеристика его поглощения * тканях. Вели­чина энергии, поглощенной в единице массы облучаемого вещества, называется дозой, а та же величина, отнесенная к единице времени,— мощностью дозы излучения.

Поглощенная доза (Д) — основная дозиметрическая единица. Она равна отношению средней энергии, переданной ионизирующим излу­чением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Единицей поглощенной дозы в СИ является грей (Гр): 1 Гр т I Дж/кг. Поглощенную дозу определяют расчетным путем (используя для этой цели компьютеры и математические программы) или посред­ством введения миниатюрных датчиков излучения в облучаемые ткани и полости тела.

При рентгенологической и радионуклидной диагностике, а также при терапевтическом облучении больного поглощенная энергия в его теле всегда распределена неравномерно, поэтому для более точной характерис­тики дозного поля введены дополнительные величины. Это, во-первых, интегральная доза — общее количество энергии, поглощенной в организ­ме человека; во-вторых,— гонадная, костномозговая дозы и доза в «кри­тическом органе». Как показывают эти термины, речь идет о дозах энер­гии, поглощенной в половых органах, костном мозге и в органе, который подвергается наиболее сильному облучению (при радио нуклид ной диа­гностике — это орган, в котором создается наиболее высокая концентра­ция радионуклида).

— Никак не могу найти себе помощника,— пожаловал­ся однажды Эдисон Эйнштейну.— Каждый день захо­дят молодые люди, но ни один не подходит.

— А как Вы определяете их пригодность? — поинтере­совался Эйнштейн.

Эдисон показал ему листок с вопросами:

— Кто на них ответит, тоти станет моим помощником. «Сколько миль от Нью-Йорка до Чикаго?» — прочел Эйнштейн и ответил: «Нужно заглянуть в железнодо­рожный справочник».— «Из чего делают нержавеющую сталь?» — «Об этом можно узнать в справочнике по ме­талловедению...». Пробежав глазами остальные во­просы, Эйнштейн сказал:

— Не дожидаясь отказа, свою кандидатуру снимаю сам.

(Физики шутят.— М.: Мир, 1966)

«Сказка — ложь, но в ней намек...». Читатель, надеем­ся, сам поймет и не будет увлекаться зазубриванием ряда справочных материалов, приведенных в учеб­нике.