Где n0, n (х) - число бета-частиц, падающих и прошедших через вещество с толщиной х;  - линейный коэффициент поглощения, который характеризует поглощающую способность вещества.

Контрольные вопросы и задания:

1. Как Вы представляете процесс ионизации атомов и молекул?

2. В чем сходства и различия процессов, называемых «фотоэлектрическим эффектом», «эффектом Комптона»?

3. Как связаны между собой проникающая способность и линейная передача энергии ионизирующих излучений?

4. Вода в сосуде облучается рентгеновскими лучами с энергией 200 кЭв. По какому механизму будет происходить ионизация молекул?

5. Может ли возникать вторичное излучение при облучении животных рентгеновскими лучами с энергией 250 кЭв ?

6. Контролер для выявления скрытых дефектов облучает металлические изделия узконаправленным пучком гамма-излучения с энергией квантов 2 МэВ. Облучается ли в этом случае сам контролер? Объясните.

7. Объясните термины «упругое рассеяние», «неупругое рассеяние» ионизирующих частиц.

8. При облучении какими типами ионизирующей радиации в облучаемом веществе возникает наведенная радиоактивность.

9. Предложите материалы для построения убежищ , обеспечивающие эффективную защиту а ) от a- излучения, б ) от g-излучения в ) от β-излучения г ) от нейтронного излучения

10. Как зависит ионизирующая способность излучения от коэффициента ЛПЭ ?

11. Сформулируйте закон радиоактивного распада.

12. Можно ли остановить радиационный распад или снизить скорость распада радиоактивного изотопа? Как Вы понимаете термины «управляемая ядерная реакция», «неуправляемая ядерная реакция»?

13. Как можно определить активность радионуклида?

14. Зависит ли период полураспада радиоизотопа от его активности? Объясните.

15. Может ли иметь место наведенная радиоактивность в рентгеновском кабинете, если для получения рентгеновских снимков используются лучи с длинами волн в интервале от 1 до 0,01 нм?

Задачи

1. На какую глубину проникнут в биологическую ткань a-частицы с начальней энергией Е₀ = 5 МэВ, коэффициент ЛПЭ =100 КэВ/мкм ?

2. Чему равна начальная энергия g-излучения с ЛПЭ = 0,2 КэВ/мкм , если ткань поражается на глубину 1 см?

3. Какую толщину стен убежища из железобетона необходимо построить для защиты от -излучения с Е₀ = 1,0 МэВ, если  = 0,5. Считать, что эффективная защита достигается при снижении энергии излучения до 1 КэВ.

4. Во сколько раз снизится энергия g-излучения (250 кэВ) при прохождении через слой свинца толщиной 10 см?

5. Какой энергией будут обладать a-частицы на глубине 1 см при облучении воды a-излучением с начальной энергией Е₀ = 2 МэВ и ЛПЭ = 100 кэВ/мкм?

Лекция 4 РЭ Дозы ионизирующих излучений. Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений. Единицы измерения доз и мощности доз.

Облучение объектов происходит вследствие того, что они в течение определенного промежутка времени находятся в пространстве сосредоточения ионизирующих излучений. Это пространство называется полем излучения. Для характеристики поля излучения необходимо знать количество, энергетические характеристики, направление движения частиц или квантов, падающих на определенную точку среды облучения. Ионизирующее излучение распространяется в какой-либо среде ( в воздухе, в воде) и соответственно, в нем происходит взаимодействие квантов или частиц с атомами среды, в результате чего часть энергии частиц и квантов поглощается и изменяется направление их движения. Поэтому полная характеристика поля излучения представляет собой чрезвычайно трудную задачу, и обычно на практике используют интегральные показатели, отражающие пространственное распределение энергии и потока излучений. В качестве такого интегрального показателя, характеризующего поле излучения, принята экспозиционная доза (Д_экс). Величина экспозиционной дозы отражает возможность в данной точке поля осуществиться определенному радиационному эффекту в результате взаимодействия излучения с облучаенмым веществом. Экспозиционная доза характеризует качество поля излучения, вне зависимости от того, какой объект облучается, т.е. этот показатель является мерой ионизирующего действия излучений. Единицей измерения экспозиционной дозы в системе СИ является Клּкг^-1.

1 Клּкг^-1 - экспозиционная доза рентгеновского или g-излучения, при котором излучение в сухом атмосферном воздухе, производит ионы, несущие электрический заряд каждого знака, равный 1 кулону.

Широко распространена внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р). За 1 Р излучения в воздухе принимается такое количество поглощенной энергии, которая в 1 см³ (~1.3 мг) воздуха при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. приводит к образованию 2,08 ×10⁹ пар ионов. Соотношение между единицами измерения экспозиционной дозы в различных системах измерения следующее:

1 Р = 2,58 ×10^-4 Клּкг^-1

Скорость изменения экспозиционной дозы в поле излучения называется мощностью экспозиционной дозы ( Р_экз).

Р_экз = dD_экз /dt

Единицей измерения мощности экспозиционной дозы в системе СИ является Клּкг^-1× с^-1.

Эффект облучения, в первую очередь, определяется количеством энергии, поглощенной объектом облучения, находящимся в поле излучения. Поэтому в качестве энергетической характеристики облучаемого обьекта используют поглощенную дозу D_погл. Поглощенная доза относится к облученному объекту и в ней отражается энергия ионизирующих излучений на единицу массы объекта.

D_погл = Е/m,

где Е - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; m - масса вещества в этом элементарном объеме.

В системе СИ единицей измерения поглощенной дозы является грей (Гр), названная в честь английского радиобиолога Гарольда Грея. Этот ученый впервые установил количественную связь между физическими и биологическими эффектами излучения. За 1 Гр излучения принята доза равная 1 Дж на 1 кг массы облученного объекта.

1 Гр = 1Дж×кг^-1

Скорость изменения поглощенной дозы называется мощностью поглощенной дозы и измеряется в Гр/с

Р_погл = dD_погл /dt

Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является рад, равная дозе , при которой на 1 кг массы объекта приходится 100 эрг поглощенной энергии.

1 рад = 10^-2 Гр

Несмотря на введение единиц измерения грей и рад, часто на практике поглощенную дозу рентегновского и гамма-излучения, продолжают выражать в рентгенах. В частности, градуировка шкалы дозиметрических приборов, используемых для измерения мощности доз, сделана в рентгенах и его производных - миллирентегенах, микрорентгенах.

Для расчета поглощенной дозы по значению экспозиционной дозы используется следующее соотношение:

D_погл = (М_kz / M_ka) × hD_экз,

где М_kz - коэффициент передачи энергии излучения веществу с данной атомной массой;

M_ka - коэффициент передачи энергии излучения воздуху;

h - эквивалент экспозиционной дозы, зависящей от энергетического состава излучений.

Для пересчета велечины поглощенной дозы (в радах) при известной экспозиционной дозе, выраженной в рентгенах, можно использовать более простую формулу:

D_погл = D_экз ×f,

где f – переходный коэффициент, зависящий от структуры объекта поглощения .

Этот коээфициент определяют экспериментальным путем. Так, для воздуха он равен 0,88, т.е. 1 Р экспозиционной дозы соответствует 0,88 рад поглощенной дозы. Для воды и мягких биологических тканей f = 0,93, соответственно, в этих случаях 1 Р = 0,93 рад ≈ 1 рад.

Поэтому при облучении живых организмов электромагнитными излучениями принимается, что 1 рентген экпозиционной дозы соответствует 1 раду поглощенной дозы.

Равные поглощенные дозы различных типов ионизирующих излучений вызывают неодинаковый эффект при действии на живые системы. Это связано с тем, что различные типы излучений характеризуется различным «качеством» действия по отношению живым организмам. Неодинаковое биологическое действие различных видов излучений при одинаковой поглощенной дозе привело к необходимости учитывать их относительную биологическую эффективность (ОБЭ) или говоря иначе «фактор качества» излучения. Поэтому для учета биологической эффективности ведено понятие эквивалентная доза излучения. Эквивалентная доза характеризует биологический эффект ионизирующих излучений. Эффект, вызванный поглощенной дозой определенного типа излучения, сравнивают с биологическим действием поглощенной дозы так называемого стандартного излучения. Эталоном для сравнения взята доза такого стандартного излучения, которое характеризуется коэффициентом ЛПЭ равной 3 КэВ/мкм в слое воды. Такими параметрами обладают электромагнитные излучения, в частности, рентгеновское излучение, с начальной энергией квантов 200 КэВ. Для расчетов доз в практических целях, нормы радиационной безопасности и санитарные правила предусматривают относительную биологическую эффективность различных видов излучений. Различные виды излучения обладают различными коэффициентами качества (взвешивающими коэффициентами) по сравнению со стандартным излучением (табл. 1). Для подсчета эквивалентной дозы в организме, в органе или ткани необходимо поглощенную дозу умножить на соответствующий взвешивающий коэффициент W_R для данного типа излучения

D_экв = D_погл × W_R

Если поле излучения состоит из нескольких излучений с различными коэффициентами качества, то эквивалентная доза определяется в виде:

D_экв = å D_погл ×W_R

Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ является Зиверт (Зв), названная в честь Рудольфа Зиверта - известного шведского физика- радиобиолога. Этот ученый - крупнейший специалист в дозиметрии, внесший большой вклад в методологию количественного измерения радиации, один из основателей концепции радиационной безопасности. По инициативе Р. Зиверта на нашей планете создана сеть станций дозиметрического контроля для наблюдения за радиационным фоном Земли. Внесистемной единицей для измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада).

1Зв = 1Гр = 1 Дж/кг стандартного излучения. 1 Зв = 10^-2 бэр.

Как видно, относительная биологическая эффективность зависит от типов излучения. Высокими коэффициентами качества обладают излучения, характеризующиеся высокой плотностью ионизации, т.е. большими значениям коэффициента ЛПЭ. Однако зависимость между ОБЭ и ЛПЭ излучений носит сложный характер. Повышение ОБЭ заряженных ионизирующих частиц с ростом ЛПЭ наблюдается только до значений ЛПЭ = 100 кэВ/мкм, при этом наблюдается максимальные значения ОБЭ. При значениях ЛПЭ более 100 кэВ ОБЭ ионизирующих частиц снижается (рис.1). При значениях ЛПЭ около 1 МэВ, эти ионизирующие частицы характеризуются невысокой ОБЭ. Причина этого явления заключается в том, что гибель клеток происходит после поглощения достаточно большого количества энергии в некотором критическом объеме. C ростом значения ЛПЭ такая вероятность увеличивается. Но после определенного порога наступает насыщение, и каждая следующая частица теряет энергию в процессе ионизации уже убитых клеток. При достижении оптимального значения ЛПЭ, когда наблюдается максимальное количество убитых клеток в определенном объеме на поглощенную дозу, наступает эффект избыточного поражения.

Таблица 1

Коэффициенты качества (взвешивающие коэффициенты) для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы

Типы ионизирующих излучений	Коэффициент качества WR	Поглощен- ная доза	Эквивалент- ная доза
Кванты любых энергий (рентгеновское,  - и синхротрон- ное излучения)	1	1 Гр	1 Зв
Электроны и мюоны любых энергий (b-излучение)	1	1 Гр	1 Зв
Нейтроны энергией
до 10 кэВ от 10 кэВ до 100 кэВ от 100 кэВ до 2 МэВ 2 МэВ до 20 Мэв более 20 Мэв	5 10 20 10 5	1 Гр 1Гр 1 Гр 1 Гр 1 Гр	5 Зв 10 Зв 20 Зв 10 Зв 5 Зв
Протоны	5	1 Гр	5 Зв
-частицы, тяжелые ядра, осколки деления	20	1 Гр	5 Зв

Таким образом, ОБЭ ионизирующего излучения зависит от вида излучения и от значения ЛПЭ. На этот показатель оказывают влияние и других факторы: мощность и величина поглощенной дозы, среда облучения, режим облучения, наличие или отсутствие кислорода, пострадиационные условия. Наиболее точную оценку ОБЭ ионизирующего излучения можно получить в том случае, когда облучаются изолированные культуры клеток или каллусные ткани, в которых поглощенная энергия распределяется равномерно по всему объему. В медицинской радиологии, для определения эквивалентной дозы, предлагается пользоваться взвешивающими коэффициентами для различных видов ионизирующей радиации (табл. 1)

Доза эквивалентная или эффективно ожидаемая за время t , прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм, определяется в виде:

D_экв.ож. = P_экв(t₀) × dt,

где t₀ = момент поступления радионуклидов в организм, P_экв(t₀) - мощность эквивалентной дозы к моменту t₀ . Если t не определено, то его принимают равным 50 годам для взрослых и 70 годам для детей.

Доза эффективная - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий при облучении всего тела человека и его отдельных органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани (табл. 2).

D_эфф = åD_экв ×W_T ,

где D_{экв -} эквивалентная доза в ткани или органе за определенное время, W_{T -} взвешивающий коэффициент для ткани.

Единицей измерения эффективной дозы в системе СИ также является зиверт.

Таблица 2

Значения взвешивающих коэффициентов для тканей и органов при расчете эффективной дозы

Орган, ткань	Коэффициент WT
Гонады Толстый кишечник, легкие, желудок Мочевой пузырь, печень, пищевод, щитовидная железа Кожа, кости Остальные ткани	0,20 0.12 0,05 0,01 0,05

Доза на орган - средняя доза в определенной ткани или органе человеческого организма

D_орг = (1/ m_T)× D_погл dm,

где m_{T -} масса ткани или органа, D_погл - поглощенная тканью или органом доза в элементарном объеме .

Доза эффективная коллективная - величина, определяющая полное воздействие излучения на группу людей определяется в виде:

D_кол = åE_i ×N_i , где

E_{i -} средняя эффективная доза на i -ю подгруппу людей , N_i -число людей в подгруппе.

Эффективная коллективная доза может быть определена и виде интеграла:

D_кол = Е [dN/dE ] ×dE ,

где dN - число облученных лиц, получивших эффективную дозу от Е до dE.

В научной, учебной литературе, на практике для измерения радиоактивности, доз ионизирующих излучений используются единицы измерений, как в системе СИ, так и внесистемные единицы. В таблице 3 приведены соотношения между внесистемными единицами и единицами в системе СИ для обозначения физических величин, используемых в радиобиологии.

Таблица 3

Основные физические величины дли определения доз в радиобиологии

Физическая величина	Название и обозначение единиц		Соотношение между единицами
	Внесистемная	Система СИ
Активность источника ионизирующих излучений	Кюри ( Ки, Ci)	Беккерель (Бk, Bq)	1 Ки = 3,7 ×10-10 Бк 1 Бк = 2,7 ×10-11 Ки
Экспозиционная доза	Рентген ( Р, R)	Кулон на кило- грам (Кл×кг-1, C×kg-1)	1 Р = 2,58 ×10-4 Кл/кг 1 Кл×кг-1= 3876 Р
Мощность экспозиционной дозы	Рентген в секунду (Р×с-1, R×c-1)	Кулон на килограмм в секунду (Кл×кг×с-1)	1Р×с= 2,58×10-4 Кл×кг× с-1 1 Кл×кг× с1= 3876 Р×с-1
Поглощенная доза	Рад (рад, rad)	Грей (Гр, Gr)	1 рад =10-2 Гр 1 Гр = 100 рад
Мощность поглощенной дозы	Рад в секунду (рад×с-1, rad×с-1)	Грей в секунду (Гр×с-1, Gr×с-1)	1 рад/с =10-2 Гр/с 1 Гр/с = 100 рад/с
Эквивалентная доза	Бэр (бэр, rem)	Зиверт (Зв, Sv)	1 бэр=10-2 Зв 1 Зв = 100 бэр
Мощность эквива- лентной дозы	Бэр в секунду (бэр×с-1, rem×с-1)	Зиверт в секунду (Зв×с-1, Sv×с-1)	1 бэр/с=10-2 Зв×с-1 1 Зв/с = 100 бэр×с-1

Контрольные вопросы и задания:

1. Как Вы понимаете термин «относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений»?

2. Что означает термин «стандартное ионизирующее излучение» и каковы ее параметры?

3. Как вы понимаете термины «поле излучения», «облучаемый объект»?

4. Какие единицы используются для измерения экспозиционной дозы излучения?

5. Существует ли зависимость между мощностью экспозиционной дозы и эквивалентной дозой? Объясните.

6. Какая зависимость существует между начальной энергией ионизирующей частицы и ЛПЭ в веществе?

7. Как зависит ОБЭ от ЛПЭ ионизирующего излучения?

8. Какие параметры (характеристики) излучения необходимо знать для подсчета эквивалентной дозы, эффективной дозы?

9. Объясните значение терминов «источник излучения», «поле излучения», «облучаемый объект».

10. Опишите процесс «избыточного» поражения в биологических объектах?

Задачи

1. Поглощенная доза a-излучений составила 5 Гр. Чему равна эквивалентная доза?

2. Мощность поглощения дозы b-излучения составляет 0,1 рад/с. Какова эквивалентная доза, получаемая живым объектом за 1 час?

3. Чему равна энергия g-излучения с ЛПЭ=10 КэВ/мкм , если ткань поражается на глубину 1 см?

4. Поглощенная доза рентгеновского излучения составила 1 Гр. Чему равна эквивалентная доза?

5. Мощность поглощенной дозы a-излучения составляет 0,01 рад/с. Чему равна эквивалентная доза за 1 час?

6. Активность источника составляет 10 мКи. Выразите активность этого источника в единицах системы СИ.

7. Мощность поглощенной дозы составила 10 мрад/с. Какова эквивалентная доза за 1 ч в системе СИ?

8. Мощность экспозиционной дозы составила 100 мР/с. Выразите эту дозу в единицах системы СИ.

9. Рассчитайте эффективную дозу для пациента, если мощность поглощенной дозы при рентгенотерапии желудка составила 10^-3 мГр/мин. Было проведено 5 сеансов терапии продолжительностью каждой по 10 мин.

10. Человек облучался γ-излучением в течение 30 мин при мощности экспозиционной дозы 2 мкР/ч. Рассчитайте величину эквивалентной дозы ( в зивертах) для этого человека.

Лекция 5 РЭ.

Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений на молекулы.

Действие ионизирующих излучений на клетки и организмы

Ионизация молекул при действии на них ионизирующих излучений приводит к инактивации или говоря иначе, полной или частичной утрате функциональной активности биологических молекул. Инактивация органических молекул, в т.ч. макромолекул, может происходить в результвате прямого или косвенного (опосредованного) воздействия на них ионизирующих излучений. Если инактивация молекулы произошла в результате непосредственного поглощения ею энергии кванта или частицы, то говорят о прямом действии ионизирующего излучения. Если инактивация макромолекулы происходит в результате химического взаимодействия ее с высокореакционными продуктами, возникшими в ее окружении при действии радиации, говорят о непрямом действии ионизирующего излучения.

Прямое действие ионизирующих излучений на макромолекулы заключается в сложной последовательности событий, происходящих от момента поглощения энергии молекулой и до появления стойких изменений в ее структуре и функционировании. Условно этот процесс можно разделить на 3 стадии. На первой, физической стадии происходит поглощение энергии кванта или частицы молекулой, появление возбужденных и ионизированных молекул, неравномерно распределенных в пространстве. Эти процессы протекают очень быстро и завершаются за 10^-16 - 10^-13 с. Вторая, физико-химическая стадия, включает различные реакции трансформации и перераспределения избыточной энергии молекул. На этой стадии появляются высокореакционные продукты радиолиза различных соединений: ионы, радикалы. Время протекания второй стадии составляет за 10^-13 - 10^-10 с. В течение третьей, химической стадии, ионы и радикалы взаимодействуют друг с другом и с окружающими молекулами, образуя различные типы структурных повреждений. Эти реакции протекают в течение 10^-6 - 10^-3 с.

Повреждения структуры молекул приводят к изменениям функциональных свойств соответствующих макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов. Например, повреждение структуры нуклеотида в молекуле ДНК, может остановить процесс репликации, аминокислоты в молекуле белка- потере ферментативной активности. Конечно, к настоящему этапу развития биологии мы пока не в состоянии описать весь круг функциональных признаков, определяющих роль всех макромолекул в жизнедеятельности клетки и организма. Однако, в любом классе макромолекул (белках, НК, липидах, полисахаридах) есть четко охарактеризованные представители, обладающие четко определенными функциями. В качестве примера среди белков можно привести ферменты трипсин, химотрипсин, рибонуклеаза А, для которых известны мельчайшие детали структурной организации и четко определены выполняемые функции.

Анализируя инактивирующее влияние ионизирующих излучений на ферменты, прежде всего, определяются такие их свойства, как активность, субстратная специфичность, чувствительность к модификаторам активности. Изменение этих и некоторых других показателей в результате облучения означает инактивацию фермента. В опытах с молекулами нуклеиновых кислот критерием инактивации служит изменение инфекционности этих молекул, их трансформирующей активности и способности служить матрицей для синтеза полинуклеотидов.

Рассмотрим некоторые классические эксперименты, исследующие прямое действие облучения на ферменты.

Прямое действие ионизирующего излучения на ферменты исследуют на кристаллических или лиофильно высушенных препаратах белков. В этом случае большая часть молекул инактивируется в результате поглощения энергии излучения. Сухой препарат молекул облучают различными дозами и затем сравнивают активность облученных и необлученных молекул. На рис. 1 представлен график зависимости активности рибонуклеазы от поглощенной дозы рентгеновского излучения. Расщепление молекулы РНК рибонуклеазой осуществляется 2 этапа. Вначале гидролизуется фосфорнодиэфирная связь в молекуле и образуется циклический диэфир, и затем пиримидин 2¢,3¢-циклическая фосфатная связь гидролизуется с образованием нуклеотид 3-фосфата.

Рис.1. Активность РНК-азы в зависимости от поглощенной дозы при облучении кристаллического препарата фермента рентгеновскими лучами

1 - субстрат: раствор РНК

2 - субстрат: раствор цитидин 2¢,3¢-циклофосфата

Как видно из рисунка при использовании обоих субстратов наблюдается одинаковая степень инактивации фермента, что свидетельствует о том, что в равной мере поражаются обе функциональные единицы молекулы. Зависимость инактивации молекул от дозы облучения носит экспоненциальный характер. При малых дозах обнаруживается небольшое число инактивированных молекул, с ростом дозы число инактивированных молекул возрастает, сначала резко, почти линейно. В интервале доз от 2 до 7×10⁵ Гр большое увеличение дозы приводит к незначительному повышению доли инактивированных молекул.

В качестве критерия радиочувствительности объектов используют дозы, необходимые для инактивации определенного количества молекул. Традиционными таким критериями служат дозы, вызывающие радиобиологический эффект у 50 % или 37 % облученных объектов (D₅₀ и D₃₇ ). При облучении живых организмов используют летальную дозу LD₁₀₀. Так, при облучении ферментов рентгеновским излучением D₃₇ для инвертазы составила 80000 Гр, для РНКазы - 280000 Гр. Различная радиочувствительность исследуемых ферментов определяется различиями в первичной и высших структурах белковых молекул (неодинаковый аминокислотный состав, различия в типах связей, наличие сульфидных мостиков и т.д.)

Действие ионизирующих излучений на НК изучают на различных модельных системах, содержащих препараты молекул ДНК или РНК. Инактивацию молекул определяют по изменению ряда их свойств и параметров.

Инфекционность НК означает способность вирусной ДНК или РНК индуцировать образование бактериальной клеткой новых вирусов-бактериофагов. Для инфицирования бактерии обрабатывают раствором фермента лизоцима, который гидролизует клеточную стенку. Полученные протопласты инфицируется НК бактериофага. При образовании в инфицированной клетке новых вирусов, плазматическая мембрана бактерии разрывается с освобождением определенного количества фагов. Количество вновь синтезированных бактериофагов пропорционально количеству молекул ДНК или РНК, сохранивших инфекционные свойства. Количество вирусов можно определить по числу так называемых «бляшек», появляющихся в результате лизирования бактериальных клеток на поверхности твердой питательной среды. Число «бляшек» служит количественным критерием инфекционности нуклеиновой кислоты вируса. Облучение вирусов приводит к снижению инфекционности молекул НК.