3. Характеристика корпускулярного ии.

Основой характеристикой ионизирующих излучений являются:

• для корпускулярных излучений - заряд частицы, ее масса, а также энергия;

Корпускулярные ИИ представляют собой поток частиц - электронов, позитронов, мезонов, нейтронов, протонов, ядер разных элементов (включая альфа-частицы) и т.д. Частицы могут быть нейтральными (нейтроны, нейтральные мезоны) и заряженными (электроны, позитроны, отрицательные и положительные мезоны, альфа-частицы, протоны). Альфа-частицами названы ядра атома гелия, а электроны и позитроны были названы бета-частицами. Существуют еще такие частицы как нейтрино и другие, но как они действуют на организм человека изучено недостаточно.

Многие виды ИИ возникают в результате естественного распада радиоактивных изотопов элементов, имеющих нестабильные ядра, чаще всего вследствие избытка нейтронов (радионуклиды).

корпускулярные, например: альфа, бета;

Альфа-излучение

Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, с зарядом ядра +2 и массой 4 атомных единицы массы (а.е.м.). 1 атомная единица массы численно равна 1,6605655(86) ·10^-27 кг. Источником α-частиц являются первичное космическое излучение и распад радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами. Не все радиоактивные вещества являются α -излучателями. α -распад приводит к уменьшению порядкового номера вещества на 2 единицы и массового числа на 4 единицы.

α -излучение, испускаемое данным изотопом, по своей энергии или однородно, или разделяется на небольшое число групп. При распаде возникают возбужденные ядра (продукты распада), которые, переходя в основное состояние, испускают кванты.

Существуют естественные (природные) и искусственные источники альфа-излучения. Например, к естественным источникам относятся радиоизотопы урановой группы. Родоначальник - уран-238 (²³⁸U) появился с момента образования планеты. Скорость его распада очень мала, он дожил до наших дней и присутствует везде - в почве, воде, продуктах, теле человека. В крови, моче он доступен для количественного определения. Продукты распада ²³⁸U дают цепочку из 18 наименований, последнее вещество, свинец, является стабильным.

Искусственные α -излучатели образуются в ядерных реакторах, где происходит синтез изотопов, часто не существующих в природе. Примером может быть плутоний-239 (²³⁹Рu), используемый как ядерная взрывчатка. В природе в естественных условиях он не существует, имеет период полураспада более 24100 лет, дороже золота.

Каждый радионуклид характеризуется энергией излучения. По энергии излучения радионуклиды можно идентифицировать с помощью спектрометра. Например, у ²³⁹Рu энергия α -излучения равна 3,8 мега-электрон-вольт (МэВ). У большинства радионуклидов энергия α -излучения находится в диапазоне от 3 до 5 МэВ.

При взаимодействии α -частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды путем неупругих столкновений с орбитальными электронами атомов. При этом частица теряет (передает) энергию пропорционально числу электронов, находящихся в 1см³ вещества, коэффициенту торможения, который является логарифмической функцией скорости частиц, атомному номеру материала (Z) и обратно пропорционально квадрату скорости частиц. Это явление называют линейной передачей энергии (ЛПЭ). Одна α -частица может ионизировать много атомов, число которых можно рассчитать. Например, α -частица с энергией 3,8 МэВ образует более 100 тысяч пар ионов (3,8 МэВ : 34 эВ).

Проникающая способность α -частиц низкая. Длина пробега α -частиц в веществе зависит от их начальной энергии, а также порядкового номера, атомной массы и плотности материала. Эта крупная, заряженная частица не может преодолеть даже лист бумаги. Пробег α -частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях - от 10 до 100 мкм. Например, проникающая способность в биологическом материале α -излучения ²²⁶Rа с энергией 4,8 МэВ близка к 40 мкм. Длина пробега α -частиц в зависимости от энергии и плотности среды представлена в таблице 1.3.

Таблица 1.3 Пробег α -частиц в различных средах в зависимости от энергии

Энергия α -частиц, МэВ	Воздух, см	Алюминий, мкм	Мягкая биологическая ткань, мкм
4,0	2,5	16	31
5,0	3,5	23	43
6,0	4,6	30	56
7,0	5,9	38	72
8,0	7,4	48	91
9,0	8,9	58	110
10,0	10,6	69	130

Любые материалы, включая биологические ткани, полностью поглощают α -частицы. Эпидермис кожи поглощает α -излучение своими ороговевшими чешуйками, и живые клетки обычно не повреждаются. Ожогов неповрежденной кожи α -излучением не бывает. Даже слизь роговицы, слизистых оболочек защищает от воздействия α -частиц. Не описано случаев отравления ²³⁹Рu у рабочих атомной промышленности. При приеме внутрь он практически не всасывается при неповрежденной слизистой желудочно-кишечного тракта, выделяется с калом и не облучает в значительной степени слизистую.

Альфа-излучатели опасны при вдыхании, так как альвеолы не имеют защитного слоя. Если происходит их диффузия в кровь и проникновение внутрь клетки, возможно развитие острой лучевой болезни, вследствие высокой ионизирующей способности с образованием нескольких десятков тысяч пар ионов на одну частицу (от 20000 в начале пробега до 80000 в конце).

Принципы защиты.

При работе с α -излучателями надо предотвратить их поступление во внутреннюю среду организма, в основном путем защиты органов дыхания марлевой повязкой, респиратором, провогазом, изолирующим костюмом и другими средствами.

Бета-излучение

Существует 2 разновидности бета-частиц: электроны (е^–) и позитроны (е⁺). Они различаются зарядом, в остальном их свойства схожи.

Источниками бета-излучения являются радиоактивные вещества бета-излучатели, которые при естественном распаде излучают электроны или позитроны. Кроме того, бета-излучение является компонентом первичного и вторичного (после взаимодействия первичного с атмосферой) космического излучения, а также может создаваться в электрофизических установках (бетатронах, ускорителях электронов).

При электронном распаде ядро испускает электрон, и при этом возникает ядро нового элемента с порядковым номером большим на единицу при практически неизменном массовом числе.

Вылет электронов сопровождается выбросом антинейтрино -элементарной частицы с массой, равной 1/2000 массы покоя электрона. При испускании β-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии. Их переход в невозбужденное состояние сопровождается испусканием γ-квантов.

Позитронный β -распад наблюдается у некоторых искусственных радионуклидов. При позитронном распаде порядковый номер распадающегося атома уменьшается на единицу, а масса практически не изменяется. Спектр энергии позитронного излучения непрерывен, так как возникает характеристическое рентгеновское излучение. При этом переход атомов из возбужденного в невозбужденное состояние сопровождается выбросом нейтрино (ν).

Электронный захват представляет собой захват ядром электрон чаще всего с К-орбиты (ближайшая к ядру электронная оболочка). При этом происходит такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде:

Позитронный распад и электронный захват - конкурирующие процессы. Если возможно испускание позитрона, то возможен и процесс К- захвата. При К-захвате из ядра вылетает нейтрино, и возникает характеристическое рентгеновское излучение.

Существуют естественные и искусственные радионуклиды: бета-излучатели. Главные из естественных:

Калий-40 присутствует в большом количестве в земной коре, особенно много его в минеральных удобрениях. Калий-40 - смешанный излучатель (бета- и гамма-), поэтому возможна его регистрация портативными гамма-радиометрами. С помощью спектрометра излучения человека (СИЧ) можно определить количество калия-40 в организме. Так как соотношение между калием-40 и стабильным калием постоянное, можно определить общее содержание калия в организме.

Углерод-14 присутствует в организме человека. Относится к космогенным радионуклидам, которые обязаны своим происхождением вторичному космическому излучению, содержащему нейтроны различных энергий. Большая часть нейтронов взаимодействует с ядрами азота воздуха с образованием радиоактивного углерода:

Этот процесс наблюдается только на высоте свыше 9000 м над уровнем моря. Из азота атмосферы на нашей планете ежегодно образуется примерно 10 кг ¹⁴С, а общее количество его в атмосфере планеты оставляет около 80 т. Он соединяется с кислородом и в виде диоксида углерода включается в обычный цикл обмена между атмосферой, гидросферой, почвой и органическим миром. Углерод-14 равномерно распределяется в стабильных изотопах. По содержанию ¹⁴С в ископаемом объекте можно определить его возраст, для чего сравнивают с содержанием в живом объекте.

Тритий (³Н) возникает под действием космического излучения в верхних слоях атмосферы в результате двух основных реакций:

Содержание трития в окружающей среде, в целом, постоянно.

Искусственные β -излучатели попали в окружающую среду, главным образом, в результате испытаний ядерного оружия в воздухе. Наиболее значимыми из них являются йод-125, стронций-90, цезий-137. (сейчас испытания ядерного оружия в воздухе запрещены и проводятся только под землей. Подземные взрывы вызывают землетрясения. На поверхность могут диффундировать только радиоактивные газы, которые быстро распадаются. Самая мощная бомба в 50 мегатонн была взорвана СССР в 1962 году. Мощность атомной бомбы взорванной в Хиросиме - 4 килотонны.

Энергия бета-излучения меньше, чем у альфа-излучения, и составляет 10-100 килоэлектрон-вольт (кэВ). При прохождении β –частиц через вещество имеют место упругие и неупругие взаимодействия с атомами поглощающей среды. Упругие взаимодействия заключаются в том, что сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц остается низменной после взаимодействия.

При неупругом взаимодействии часть энергии взаимодействующих частиц передается образовавшимся свободным частицам или квантам (неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, возбуждение ядер, тормозное излучение). Бета-излучение обладает в 1000 раз меньшей удельной плотностью ионизации при сравнении с альфа-излучением такой же энергии (несколько десятков пар ионов на микрометр пробега). При торможении электронов в веществе возникает тормозное рентгеновское излучение.

Проникающая способность бета-частиц больше, чем у альфа-частиц, а заряд и масса меньше. По воздуху бета-частицы распространяются до нескольких метров, в биологических тканях до нескольких сантиметров. Проникающая способность в биологическом материале β -излучения с энергией 2-5 МэВ равна 1-2,5 см.

В таблице 1.4 представлена длина пробега β -частиц в зависимости от энергии и плотности среды.

Бета-частицы имеют малую массу и при столкновении с другими элементарными частицами отклоняются, их путь извилист. Любые ткани поглощают бета-частицы. У пострадавших в результате чернобыльской аварии не было выявлено ожогов стоп, так как обувь эффективно поглощает бета-излучение. Без защиты кожи бета-частицы могут проникать до росткового слоя и поражать его. Ожоги, как правило, поверхностные, 1-2 степени. При внешнем облучении костный мозг не повреждается, и депрессии кроветворения, как правило, не наблюдается.

Таблица 1.4 Максимальный пробег β-частиц в различных средах

Энергия β -частиц, МэВ	Воздух, м	Алюминий, мм	Мягкая биологическая ткань, мм
0,01	0,00229	0,00127	0,00247
0,05	0,0394	0,0212	0,0431
0,10	0,130	0,0693	0,143
0,25	0,747	0,304	0,638
0,50	1,601	0,837	1,77
0,75	2,746	1,437	3,04
1,00	3,936	2,059	4,38
2,0	8,732	4,593	9,84
2,8	12,459	6,593	14,20

Протоны

Протоны (р) имеют массу, равную 1 а.е.м. (атомная единица массы), заряд +1. 1 а.е.м. равна 1,6605655 (86)·10 ²⁷кг. Масса протона по отношению к массе электрона (m_р/m_е-) составляет 1836,15152. Протоны являются составной частью первичного космического излучения, однако, в основном, поглощаются атмосферой. Протоны образуются также на ускорителях тяжелых заряженных частиц промышленного и медицинского назначения типа синхроциклотрона. Ускоритель протонов представляет собой сложное инженерное сооружение. Двигаясь по спирали в однородном магнитном поле, протоны достигают больших энергий, Их пробег в воздухе достигает десятков метров.

Длину пробега протонов и место их остановки в тканях пациента регулируют с помощью выбора толщины тормозящего фильтра, который изменяет энергию пучка. Это позволяет формировать пучок протонов с необходимой исходной энергией. Протоны постепенно теряют свою энергию при столкновении с ядрами атомов и внешними электронами в результате упругого и неупругого рассеяния, возбуждения и ионизации атомов среды. Так как масса протонов, как и масса альфа-частиц, значительно превышает массу электронов атомов, с которыми они соударяются, их траектория почти прямолинейна до конца пробега.

Пробег протонов с энергией 120 и 140 МэВ в мягких тканях составляет соответственно 11 и 14 см. Пробег протонов в алюминии для энергии 1 МэВ составляет 0,013 мм, для 3 - 0,08 мм, для 10 - 0,63 мм.

Ионизирующая способность пучка протонов резко возрастает в конце пробега (пик Брегга). Это позволяет подвести высокую дозу к облучаемой опухоли (до 100-200 Гр) без существенного облучения здоровых тканей. Ускорители протонов позволяют облучать строго ограниченные объемы тканей от 1 см³ и более. На ускорителях протонов работает небольшое число людей. Описаны несчастные случаи с непреднамеренным попаданием протонного пучка в голову. При этом наблюдается эффект воздействия как от укола иглой. Исход зависел от того, что было повреждено.

Нейтроны

Нейтроны (n) имеют массу, равную 1 а.е.м., заряд 0. Источник нейтронного потока - цепные ядерные реакции (ЦЯР). Эти реакции идут на солнце (и других звездах) и дают солнечную энергию. Нейтроны доходят от солнца и звезд до верхних слоев атмосферы земли и поглощаются парами и воздухом. В обычных условиях человек не подвергается воздействию нейтронов. Нейтроны возникают при ядерном взрыве, вызывают тяжелое поражение, хотя действие длится секунды. Нейтроны поддерживают ЦЯР в ядерных реакторах, где их удерживают отражателями, чтобы они не выходили из активной зоны.

Энергия нейтронов колеблется в очень широком диапазоне. По энергии нейтроны условно делят на следующие группы:

– Медленные нейтроны подразделяются на холодные (с энергией менее 0,025 эВ), тепловые (с энергией от 0,025 до 0,5 эВ) и надтепловые (с энергией выше 0,5 эВ). В поглощающей среде обычно наблюдается реакция захвата медленных нейтронов.

– Резонансные нейтроны наблюдаются в области энергий от нескольких эВ до 100-500 эВ. Такие нейтроны могут поглощаться только тяжелыми ядрами (Аu, U и др.)

– Промежуточные нейтроны имеют энергию от 0,5 кэВ до 0,5 МэВ. Для них наиболее типичным процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние.

– Быстрые нейтроны с энергией от 0,5 до 20 МэВ характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением ядерных реакций.

– Очень быстрые нейтроны с энергией 20-300 МэВ отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.

– Сверхбыстрые нейтроны с энергией более 300 МэВ отличаются слабым взаимодействием с ядрами (прозрачность ядер для сверхбыстрых нейтронов) и появлением «реакции скалывания», в результате которой бомбардируемое ядро испускает несколько осколков.

В ускорителях нейтронов создаются пучковые потоки. Пучки нейтронов с энергией 10-15 МэВ имеют максимум ионизации непосредственно на поверхности тела. Энергия определяет проникающую способность. Нейтроны не имеют заряда, поэтому проникают вглубь атома и взаимодействуют непосредственно с ядрами. Проникающая способность в биологическом материале нейтронов с энергией 14 МэВ составляет 10 см. Содержащие водород соединения хорошо поглощают нейтроны. Нейтрон имеет массу, равную массе протона, поэтому при столкновении с водородом наблюдается эффект равных шаров (упругое рассеяние). Нейтрон передает протону половину энергии, последний (протон отдачи) начинает двигаться и ионизировать другие атомы.

При столкновении нейтрона с крупными ядрами наблюдается эффект отражения (неупругое рассеяние). При этом часть энергии нейтрона возбуждает ядро отдачи, которое переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

При определенных условиях нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват), переводя их в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии ядро может испускать гамма-квант или частицы (протоны, альфа-частицы и другие), или индуцировать цепные ядерные реакции деления или синтеза ядер.

Следовательно, нейтроны способны вызывать наведенную активность, превращая нерадиоактивные в радиоактивные атомы. Они могут образовывать радиоактивные золото, железо и др. Наводиться могут все металлы (золотые зубы, кольца, расчески). Описан ожог языка от прилегающей коронки зуба после облучения нейтронами. По степени наведенной активности физики могут определить дозу облучения. Нейтронная бомба была создана как противотанковое оружие, так как наводит радиоактивность. Это самая дорогая бомба, сейчас ее производство прекращено.

Биологические эффекты нейтронов.

Так как нейтроны имеют высокую проникающую способность, характерно повреждение кроветворной ткани. Большую дозу получает часть тела, повернутая к источнику, и на стороне поражения наблюдается эритема кожи. В случае неравномерного поражения прогноз по кроветворению благоприятный, так как костный мозг сам себя пересадит в пораженные участки, и трансплантация костного мозга не требуется.

Защита от нейтронного излучения основывается на замедлении быстрых и поглощении медленных нейтронов. Нейтроны замедляются в результате упругого и неупругого рассеяния, перехода в тепловое равновесие с окружающей средой. При этом возникает захватное γ-излучение, которое необходимо учитывать при расчете защиты. Быстрые нейтроны наиболее эффективно замедляются веществами с малым атомным номером. К таким материалам относятся водородсодержащие вещества: вода, тяжелая вода, парафин, полиэтилен, пластмассы, бетон. У свинца - меньшая защитная эффективность от нейтронов. Для эффективного поглощения медленных нейтронов используют материалы, которые имеют большое сечение поглощения (соединения с бором - борная сталь, бораль, борный графит, сплав кадмия со свинцом и др.).

В последние годы широкое применение получила, так называемая, гетерогенная защита, состоящая из чередующихся слоев материалов с малыми и большими атомными номерами (например, вода и металл). В комбинированной среде быстрые нейтроны будут испытывать неупругое рассеяние на тяжелых ядрах с последующим эффективным замедлением (упругое рассеяние) на ядрах водорода.

Бетатроны. Есть медицинские бетатроны (ускорители электронов), которые дают пучок электронов, направляемый на больной орган (опухоль). При контакте с пучком происходит локальное повреждение органов. У бетатрона энергия пучка может достигать 50 МэВ. Пучок электронов с энергией до 25 МэВ создает в тканях ионизацию с максимумом ее на глубине 1-3 см, затем доза быстро падает и на глубине 10 1-м практически близка к нулю. При уменьшении энергии электронов до -6 МэВ максимум дозы сдвигается ближе к поверхности тела. Костная ткань более значительно уменьшает пробег электронов.

Принципы защиты от бета-излучения.

Основная задача защитить от поверхностного облучения кожу и видимые слизистые. Должно быть меньше открытых частей тела. Безопасным расстоянием при работе с источниками считается максимальный пробег β -частиц в воздухе. На практике защита от β -частиц осуществляется с помощью специальных экранов из веществ с малым атомным номером (Z): плексиглаз, cтекло, алюминий, резина и др. Выбор материала с малым значением Z условлен тем, что интенсивность тормозного рентгеновского излучения, возникающего в материале экрана, пропорциональна Z.

Толщину защитного экрана выбирают равной длине максимального пробега β -частиц в материале экрана. Толщина экрана из алюминия более 5 мм практически достаточна для защиты от β -излучения всех радиоизотопов. Однако при активности источника β -излучения порядка сотен милликюри возникает необходимость расчета защиты от тормозного излучения. Сухие хлопчатобумажные ткани защищают кожу не хуже, чем резина, мокрые пропускают бета-излучение. Необходимо защищать органы дыхания. Сложенный вчетверо носовой платок защищает в 8 раз, респиратор - в 100 раз.

При эксплуатации ускорителей электронов расчет защиты провопит по тормозному излучению, возникающему при бомбардировке мишени электронами. Для энергии (Е) электронов, ускоренных до 3 МэВ, выход тормозного излучения можно оценить по формуле: I = 5,77 • 10^-4 • Е² МэВ/электрон.