Лекция: Ионизирующее излучение

Содержание 1 Природа ионизирующего излучения 2. Источники ионизирующих излучений 3. Измерение ионизирующих излучений 4. Количественные характеристики ионизирующих излучений 5. Физические свойства ионизирующих излучений 6. Биологическое действие ионизирующих излучений 7. Механизмы биологического воздействия 8. Гигиеническое нормирование ионизирующих излучений 9. Применение ионизирующих излучений в медицине

1. Природа ионизирующего излучения

Ионизирующим излучением («И.И.») называют потоки частиц и электромагнитных волн, взаимодействие которых со средой вызывает ионизацию ее молекул и атомов. К электромагнитному «И.И» относят жесткое ультрафиолетовое, рентгеновское и -излучение. К корпускулярному «И.И» относят все частицы, энергия которых больше или равна энергии ионизации, в частности, потоки:

• бета-частиц (электронов и позитронов);

• альфа-частиц (ядер атома гелия-4);

• нейтронов;

• протонов, других ионов, мюонов и др.;

• осколков деления (тяжёлых ионов, возникающих при делении ядер).

Источники ионизирующего излучения

Природные источники ионизирующего излучения:

• Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов.

• Термоядерные реакции, например на Солнце.

• Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер.

• Космические лучи.

Искусственные источники ионизирующего излучения:

• Искусственные радионуклиды.

• Ядерные реакторы.

• Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение).

  • Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное рентгеновское излучение.

Наведённая радиоактивность

Многие стабильные атомы в результате облучения и соответствующей индуцированной ядерной реакции превращаются в нестабильные изотопы. В результате такого облучения стабильное вещество становится радиоактивным, причем тип вторичного ионизирующего излучения будет отличаться от первоначального облучения. Наиболее ярко такой эффект проявляется после нейтронного облучения.

Измерение ионизирующих излучений

В бытовом и промышленном применении наибольшее применение получили дозиметры на базе счётчиков Гейгера. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение.

• 4. Количественные характеристики ионизирующих излучений

Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит от типа излучения, энергии частиц и сечения взаимодействия облучаемого вещества. Важными показателями взаимодействия ионизирующего излучения с веществом служат такие величины, как:

- линейная плотность ионизации (i), под которой понимают отношение числа dn ионов одного знака, которые образуются при прохождении «И.И.» элементарного пути dl к этому пути:

i = dn/dl (1)

- линейная тормозная способность вещества (S), под которой понимают отношение энергии dE, которая теряется «И.И.» при прохождении элементарного пути dl к этому пути:

S = dE/dl (2)

Средний линейный пробег R - это среднее значение расстояния между началом и завершением прохождения «И.И.» в данном веществе.

При изучении степени поражения тех или иных биологических объектов необходиме иметь представление о физических характеристиках излучения, особенно о его энергии.

Действие на вещество обусловлено не всем падающим на него «И.И.», а только той его частью, которая взаимодействует с атомами и молекулами вещества и при этом поглощается. Поэтому основной величиной, характеризующей действие «И.И.» (причем всех его типов), на вещество является энергия излучения, поглощаемая единицей массы m за время облучения. Эта величина називается поглощенной дозой D_п и определяется формулой:

D_п = E /m (3)

Согласно этому определению единицей поглощенной дозы в системе СИ является [D_п] = 1 Дж/кг, т.е. такая поглощенная доза излучения, при которой в 1 кг массы облучаемого вещества поглощается 1 Дж энергии будь-какого «И.И». Другим названием этой единицы является Грей (Гр), т.е. І Гр = 1 Дж/кг.

Применяется также и внесистемная единица поглощенной дозы «И.И», которая називается рад (это абревиатура англоязычного термина "гаdіаtіоn аbsоrbed dозе" - доза поглощенной радиации). Рад есть поглощенная доза будь-какого вида «И.И», при которой в 1 кг вещества поглощается 0,01 Дж энергии. Т.е. 1 Рад = 0,01 Гр.

Для оценки величини поглощенной дозы за единицу времени вводится понятие мощности поглиненою дози P_п:

P_п = E / mt (2)

де t – проміжок часу за який була поглинена доза D_п. Згідно з цим визначенням одиницею потужності поглиненої дози в системі СІ є [Р] = 1 Гр /с.

Здавалось би, що для знаходження поглиненої дози необхідно виміряти енергію іонізуючого випромінювання, що падає на тіло, а також енергію, яка пройшла крізь тіло, і їх різницю поділити на масу тіла. Проте здійснити це практично дуже складно. Це зумовлено тим, що тіло неоднорідне, енергія розсіюється тілом по усім можливим напрямках і т. п. Таким чином, конкретне і досить зрозуміле поняття «поглиненої дози» є мало застосовуваним в експерименті. Але можливо оцінити поглинену тілом дозу по іонізуючій дії випромінювання у повітрі, яке оточує тіло.

У зв’язку з чим вводять ще одне поняття дози - експозиційну дозу випромінювання D_експ, яка є мірою іонізації повітря для рентгенівського і g-випромінювання. Експозиційну дозу визначають по величині заряду Q який утворюється в одному кілограмі сухого повітря при проходженні через нього рентгенівського або g- випромінювання:

D_експ = Q / m (3)

За одиницю експозиційної дози прийнято кулон на кілограм (Кл/кг). На практиці використовують одиницю, яку называемую рентгеном (Р), - експозиційна доза рентгенівського або g-випромінювання, при якій унаслідок повної іонізації в 1 см³ сухого повітря (0,001293 г) при 0 °С и 760 мм рт. ст. утворюється 2,08 • 10⁹ пар іонів. 1 Р = 2,58•10^-4 Кл/кг.

Для оцінки величини експозиційної дози за одиницю часу вводиться поняття потужності експозиційної дози P_екс:

P_екс = D_експ /t = Q / mt (2)

де t – проміжок часу за який була створена експозиційна доза D_експ. Згідно з цим визначенням одиницею потужності поглиненої дози в системі СІ є [P_екс] = 1 Кл /кгс = А/кг, а позасистемною одиницею - 1 Р/с.

Потужность експозиційної дози радіоактивного елементу, активність розпаду якого А на відстані від місця його знаходження може бути знайдена за формулою:

P = kA/r² (4)

де k – гамма постійна, яка залежить від виду радіоактивного елементу.

Так як поглинена доза пропорційна падаючому іонізуючому випромінюванню, то між нею і експозиційною дозою повинна бути пропорційна залежність:

D_п = fD_експ (5)

де f - деякий перехідний коефіциєнт, що залежить від ряду обстави і перш за все від виду речовини, що опромінюється і енергії фотонів.

Найбільш просто встановити значення коефіціента f, якщо речовиною, яка опромінюється є повітря. При X = 1 Р в 0,001293 г повітря утворюється 2,08 • 10⁹ пар іонів; звідки слідує, що в 1 г повітря знаходиться 2,08•10⁹/0,001293 пар іонів. У середньому на утворення однієї пари іонів витрачається енергія 34 еВ. Це означає, що в 1 г повітря поглинається енергія випромінювання, яка дорівнює (2,0810⁹/0.001293)•34•1,6•10-¹⁹Дж/г = 88 • 10 ⁴Дж/кг. 0,001293

Таким чином, поглинена доза 88•10^-4 Дж/кг у повітрі енергетично еквівалентна 1 Р. Тоді згідно формулі (5) маємо: D_п = 0,88D_експ, якщо D_п вимірюється в радах, а D_експ - в рентгенах. Коефіціент f для повітря мало залежить від енергії фотонів. Для води та м’яких тканин тіла людини f=1; тобто доза випромінювання у радах чисельно дорівнює відповідній експозиційній дозі у рентгенах. Це і обумовило використання позасистемних одиниць - рада і рентгена. Для кістової тканини коефіціент f зменьшується із зростанням енергії фотонів приблизно від 4,5 до 1. Для даного виду випромінювання біологічна дія звичайно тим більша, чим більша доза опромінення. Проте різні випромінювання навіть при одній і тій же поглиненій дозі зумовлюють різні дії.

У дозиметрії прийнято порівнювати біологічні ефекти різних випромінювань з відповідними ефектами, що викликані рентгенівським і g-випромінюваннями.

Коефіціент К, який показує, у скільки разів ефективність біологічної дії даного виду випромінювання більше, ніж рентгенівського або g-випромінювання, при однаковій дозі поглиненій у тканинах, називається коефіціентом якості. В радіобіології його називають також відносною біологічною ефективністю (ВБЕ).

Коефіціент якості встановлюють на основі дослідних даних. Він залежить не тільки від виду частинки, але і від її енергії. Наведемо приблизні значення К (табл. 1) для деяких випромінювань (у дужках наведена енергія частинок).

Таблиця 1

Вид випромінювання	К
Рентгенівське,  і -випромінювання	1
Теплові нейтрони ( 0,01 еВ)
Нейтрони (5МеВ)
Нейтрони (0,5 МеВ)
-випромінювання

Поглинена доза сумісно із коефіціентом якості дає уявлення про біологічну дію іонізуючого випромінювання, тому добуток DK використовують як єдину міру цієї дії і називають еквівалентною дозою випромінювання Dе:

D_е = DK (6)

Так як К - безрозмірний коефіциент, то еквівалентна доза випромінювання має ту ж розмірність, що і поглинена доза випромінювання, але називається зівертом (Зв). Позасистемна одиниця еквівалентної дози - бер, 1 бэр = 10^-2 Зв. Еквівалентна доза у берах дорівнює дозі випромінювання в радах, помножена на коефіциент якості. Природні радіоактивні джерела (космічні промені, радіоактивнсть надр, води, радіоактивність ядер, що входять до складу тіла людини і т.п.) створюють фон, який відповідає приблизно еквівалентній дозі 125 мбер на протязі року. Гранично допустимою еквівалентною дозою при професійному опроміненні вважається 5 бер на протязі року. Мінімальна леталь­на доза від g-випромінювання біля 600 бер. Ці дані відповідають опроміненню усього організму.