Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений

Дозиметрия ионизирующих излучений – раздел ядерной физики, который занимается количественной оценкой действия ионизирующего излучения на вещество и организм. Говорить об исключительной важности этого раздела для фармацевтов и медиков излишне.

1. ИОНИЗИРУЮЩАЯ И ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОТИ. ЗАЩИТА ОТ ИЗЛУЧЕНИЙ

А.При ионизации от атомов отрываются электроны, атомы превращаются в положительные ионы – катионы. Оторванные электроны могут присоединиться к другим атомам, которые превращаются в отрицательные ионы – анионы. Таким образом при ионизации образуется пара ионов.

Ионизирующая способность излучения оценивается линейной плотностью ионизации i

i = ( пар ионов/ см = пар/см = 1/см)

Линейная плотность ионизации численно равна числу пар ионов dn, образованных на единицу длины пробега dl частицы ионизирующего излучения в воздухе.

Б. Проникающая способность для и- излучения оценивается по среднему линейному пробегу R – расстоянию, на котором скорость частицы при пробеге в данной среде уменьшается до средней скорости теплового движения молекул и частица теряет свою ионизирующую способность.

Для и рентгеновского излучений этот критерий не годится, поскольку нельзя уменьшить скорость фотона до скорости молекул. Фотоны при прохождении через вещество сохраняют скорость распространения электромагнитной волны в этой среде. Но количество фотонов и соответственно интенсивность излучения уменьшаются - вследствие поглощения и рассеяния излучения веществом. И поэтому проникающая способностьи рентгеновского излучений оценивается по толщине слоя половинного ослабления ℓ_1/2 - толщине слоя данной среды, при прохождении которого интенсивность излучения уменьшается вдвое. Для очень интенсивных и коротковолновых излучений применяется ещё и толщина слоя десятикратного ослабления ℓ_1/10.

В таблице 4.1 приведены примерные усреднённые ионизирующие и проникающие способности ,,и рентгеновского излучений, а также основные способы защиты от них.

ТАБЛИЦА 4. 1

Вид излучения	i, пар ионов/м (в воздухе )	R - для и, ℓ1/2 - для и рент.			Защита
		в воздухе	в организме
	107	5см	0,1мм	Одежда, защитные очки, респираторы, гигиена
	104	50м	2см	Несколько см любого плотного материала.
и рент.	102	500м	1м	В зависимости от жёсткости и интенсивности от нескольких мм до нескольких метров свинца или от десятков до сотен метров почвы, воды, бетона

Видно, что, чем больше ионизирующая способность излучения, тем быстрее теряется его энергия на взаимодействие с атомами вещества, тем меньше проникающая способность излучения.

Поэтому сравнительно легко защититься от - излучения, когда оно приходит снаружи. С другой стороны, это излучение очень опасно, если его источники – радиоактивная пыль попадает в организм. В зоне поражения требуются самые жёсткие меры для защиты пищи, воды а также личной гигиены.

Гораздо труднее защититься от проникающей радиации - и рентгеновского излучений, которые, хотя и оказывает примерно в десятки и больше раз меньшее биологическое действие, чем- излучение, могут быть очень опасны. Всё зависит от интенсивности и жёсткости излучения. От мягкого рентгеновского излучения, применяемого, например, при рентгеновской диагностике в зубоврачебных кабинетах, можно защититься всего несколькими мм свинца. Естественно при очень кратковременном облучении. А вот от жёсткого характеристического рентгеновского излучения и от- излучения больших интенсивностей защита куда более серьёзная.

2. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО

А. - излучение

- частицы – ядра атома гелия , вылетающие из ядра при- распаде с огромной скоростью порядка 10⁷ м/с и несущие огромную энергию до 10 МэВ:

1. Производят очень большое ионизирующее действие в веществе. Причём электроны отрываются не только с внешних, но и с внутренних электронных слоёв.

2. Возбуждают молекулы вещества.

3. Отдельные - частицы взаимодействуют с ядрами вещества и могут вызвать ядерные реакции.

К вторичным эффектам действия - излучения на вещество относятся:

1) Образование свободных радикалов и химические реакции.

2) Характеристическое рентгеновское излучение.

3) Радиолюминесценция.

4) Нагревание.

Б. - излучение

- частицы – электороны е₊ или позитроны е_- , вылетающие из ядра с огромными скоростями до 10⁸ м/с и обладающие энергией до 2-3МэВ:

1. Производят большое ионизирующее действие. Некоторые электроны отрываются не только с внешних, но и с внутренних электронных слоёв.

2. Возбуждают молекулы вещества.

3. Порождают тормозное рентгеновское излучение

К вторичным эффектам действия- излучения на вещество относятся:

1) Образование свободных радикалов и химические реакции.

2) Характеристическое рентгеновское излучение.

3) Радиолюминесценция.

4) Нагревание.

Реакция аннигиляции электрона и позитрона

При действии ₊ - позитронного излучения на вещество позитроны, взаимодействуя с электронами вещества, вступают с ними в реакцию аннигиляции:

е₊ + е_- 2(3)

При этом происходит превращение материи из одного вида в другой: частицы вещества электрон и позитрон превращаются в 2 или 3 кванта электромагнитного поля - - фотоны. По знаменитой формуле А.Эйнштейна энергия связана с массой

Е = mс², с = 310⁸ м/с.

Масса покоя электрона и позитрона порядка m_e = 910^-31кг.

Это соответствует энергии

Е = 910^-31 (310⁸ )² Дж = 0,8110^-13 Дж = 0,51МэВ

( 1МэВ = 1,610^-13 Дж )

Общая энергия, выделившаяся при аннигиляции пары: электрон и позитрон – 1,02МэВ.

Поэтому энергия, получившихся при реакции - фотонов по 0,51 МэВ на каждый (при двухфотонной аннигиляции).

В. и рентгеновское излучение

Коротковолновые и рентгеновское излучения содержат фотоны очень больших энергий вплоть до 10 МэВ – у очень жёсткого- излучения.

Первичные эффекты действия и рентгеновского излучений на вещество:

1. Когерентное рассеяние.

Наблюдается, если энергия фотона = h=меньше работы ионизации А_и – энергии, которую надо затратить, чтобы оторвать электрон от атома вещества (см. рис. 4.1 а).

Рис. 4.1

В результате взаимодействия с электроном атома фотон меняет направление своего распространения, не меняя своей энергии, а, следовательно, и частоты.

2. Фотоэффект (рис. 4.1 б).

Наблюдается, если энергия фотона = h=равна или больше работы ионизации А_и . В этом случае энергия фотона тратится на отрыв электрона от атома и на сообщение электрону кинетической энергии . Уравнение фотоэффекта было написано немецким физиком Альбертом Эйнштейном в 1905 году:

h ₌ А_и + .

3. Эффект Комптона (рис. 4.1 в)

Наблюдается, если энергия фотона = h=значительно больше работы ионизации А_и В этом случае энергия фотона тратится на отрыв электрона от атома, на сообщение электрону кинетической энергии и на создание вторичного фотона с энергией h_′:

h ₌ А_и + + h_′

Этот эффект ещё называется некогерентным рассеянием, поскольку вторичные фотоны получаются меньшей энергии и, следовательно, меньшей частоты. Явление некогерентного рассеяния было открыто в 1922 году американским учёным А. Комптоном.

Вторичные эффекты действия и рентгеновского излучений на вещество:

1) Образование свободных радикалов и химические реакции.

2) Вторичное рентгеновское излучение.

3) Радиолюминесценция.

4) Нагревание.

Рождение пары электрон-позитрон.

Очень жёсткие - фотоны, взаимодействуя с полями тяжёлых ядер могут превращаться в две частицы вещества: электрон и позитрон:

= е_- + е₊

В этом случае происходит превращение электромагнитного поля в вещество. Энергия - фотона должна быть не меньше энергии покоя электрона и позитрона Е =2 mс²= 1,02 МэВ, а следовательно его длина волны должна быть не больше 210^-7 нм.

Г. Действие на вещество потока протонов

Потоки протонов – ядер атомов водорода, вылетающих из ядер при некоторых ядерных реакциях с большой энергией и скоростью, примерно аналогичны по своему действию на вещество - частицам.

Д. Действие на вещество потока нейтронов

Первичное ионизирующее действие нейтронов мало, поскольку это незаряженные частицы. Поэтому проникающая способность нейтронов огромна.

Наблюдаются следующие основные эффекты взаимодействия нейтронов больших энергий с веществом:

1. Упругое рассеяние на лёгких ядрах

При упругих столкновениях с лёгкими ядрами, например, ядрами водорода – преобладающего элемента в живых организмах нейтроны передают им свою энергию (см. разделI, гл1 ). А вот эти ядра отдачи и производят огромное ионизирующее и биологическое действие.

2. Неупругое рассеяние на тяжёлых ядрах

При неупругих столкновениях с тяжёлыми ядрами нейтроны возбуждают их. При возвращении в невозбуждённое состояние ядро излучает жёсткие - фотоны.

3. Захват нейтрона ядром

Это может вызвать ядерные реакции с превращением ядер вещества в радиоизотопы с дальнейшими ядерными превращениями, сопровождающимися радиоактивными излучениями.

Лучшая защита от нейтронного излучения - чередование слоёв вещества из лёгких элементов (вода, парафин) и тяжёлых ( свинец). Лёгких – для задержки нейтронов, а тяжёлых – ядер отдачи и продуктов других вторичных радиоактивных излучений.

3. ОСЛАБЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО

А. - излучение (рис. 4.2 а).

- излучение быстро расходует свою энергию на ионизацию атомов и молекул вещества и через пару см в воздухе и через 0.1мм в мягких тканях организма энергия - частицы уменьшается до энергии теплового движения молекул и она захватив у атомов вещества два электрона, превращается в атом гелия. На рисунке 4.2 а R- средняя длина пробега.

Б. - излучение (рис. 4.2 б).

Уменьшение интенсивности - излучения сначала происходит приблизительно по экспоненциальному закон, а потом резко уменьшается, когда ℓ =R.

Рис. 4.2.Ослабление -а ,-б, и рентгеновское излучения – в.

В. и рентгеновское излучения (рис.4.2 в).

Ослабление интенсивности и рентгеновсого излучений происходит по закону:

I = I₀ e ^- ,

где I – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной ℓ, I₀ – интенсивность излучения, падающего на вещество, а - коэффициент ослабления излучения в данной среде.зависит от плотности среды, длины волны излучения, от порядкового номера химического элемента вещества среды z:

Для рентгеновского излучения

= k ³ z³ , k – коэффициент размерности 1/м. кг.

Толщина слоя половинного ослабления ℓ_1/2 = .

Для жёсткого - излучения зависимостьот длины волны не такая , как для рентгеновского излучения. При уменьшении длины волны, при увеличении энергии фотонов в этом случае увеличивается вероятность реакции рождения пары электрон-позитрон, увеличивается поглощение энергии- излучения и соответственно коэффициент ослаблениявозрастает.

1. 4.4.БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Упрощённую схему биологического действия ионизирующего излучения можно представить так:

ионизацияразрыв химических связейобразование свободных радикалов(с.р.)^м.б.цепные ветвящиеся с.р.–реакции^м.б. необратимые биохимические реакции^м.б.лучевая болезнь ^м.б.…

Некоторые необходимые пояснения

1. Свободные радикалы (с.р.) – молекулы, молекулярные группы, атомы с неспаренным электроном с нескомпенсированным спином. Обладают, как правило, большой химической активностью.

2. При цепных с.р. реакциях с.р. содержатся и в субстрате и в продукте, что вызывает продолжение реакции.

3. Ветвящиеся с.р. реакции – когда в продукте с.р. больше, чем в субстрате. По механизму цепных, ветвящихся с.р.-реакций развиваются многие патологии - от лучевого поражения до ишемии и отравлений.

4. М.б. – означает, «может быть», а может и не быть. В организме действуют защитные механизмы обрыва цепных, ветвящихся с.р.-реакций. Например, в организме есть вещества – антиоксиданты, обрывающие с.р.-реакции перекисного окисления жирных кислот – причину многих патологий. Обычно спрашивают, является ли антиоксидантом этанол. Да, является, но он же при неумеренном потреблении вымывает из организма другие вещества – антиоксиданты, например, некоторые витамины. Как говорят в народе: «Пить надо только с мороза, но ни в коем случае на мороз», то есть профилактическое пьянство «против радиации» нецелесообразно. Также следует отметить, что люди с избыточным весом больше подвержены лучевому поражению. В них больше воды, а радиолиз воды - создание в ней с.р. – пусковой механизм следующих патологических процессов.

5. Для лучевого поражения характерен латентный (скрытый) период. Его последствия проявляются не сразу.

6. Наиболее подвержены лучевому поражению молодые растущие ткани. Отсюда особая опасность радиации для детей и беременных женщин. Но, с другой стороны, это открывает широкие перспективы применения радиации для терапии злокачественных новообразований. Именно поэтому Мария и Пьер Кюри отказались патентовать разработанный ими метод получения радия – мощного средства борьбы с раком. Как сказала Мария Кюри: «Деловые, предприимчивые люди очень нужны человечеству, но ещё больше мир нуждается в бескорыстных идеалистах». Супруги Кюри так же, как перед ними Рёнтген поняли, что им посчастливилось сделать великое открытие, не только для физики и химии, но, прежде всего, для медицины и считали, что этим они уже вполне вознаграждены.

7. Лучевое поражение может вызвать изменения наследственного кода и сказаться в потомстве, вызвать мутации.

4.5. ПОГЛОЩЁННАЯ, ЭКСПОЗИЦИОННАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ( ЭКВИВАЛЕНТНАЯ) ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ТАБЛИЦА 4.2

ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СВЯЗЬ МЕЖДУ НИМИ

Доза излучения	Единицы измерения в СИ	Внесистемные единицы измерения	Связь между дозами
Поглощённая D =	грей(Гр) = Дж/кг	рад = 10-2 Гр	Dп = f. Dэ для внесистемных единиц f для воды и мягких тканей =1 fдля костной ткани = 2-5
Экспозиционная Х =	Кл/кг	Рентген(Р) = =2,58.10-4 Кл/кг (2.109 пар ионов/см3 воздуха)
Биологическая (эквивалентная) Н	зиверт (Зв)	бэр = 10-2 Зв	Dб = k. Dп k для , рент. и= 1 k для нейтронов =5 kдля протонов = 10 kдля = 20

Поглощённая доза излучения D численно равна энергии излучения, поглощённого на единицу массы облучаемого тела.

D = _.

В СИ D измеряется в греях(Гр) = Дж/кг. Но применяются и внесистемная единица рад= 10^-2 Гр.

D - основная доза, определяющая действие излучения на вещество. Но непосредственное определение этой дозы затруднительно. Можно определить D в разных органах подопытного облучённого животного, например, по количеству свободных радикалов образовавшихся в результате облучения. Для этого можно, в частности, применить метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Для - и рентгеновского излучений, отличающихся большой проникающей способностью,D можно определить опосредованно по экспозиционной дозе Х .

Экспозиционная доза Х - мера ионизации воздуха над поверхностью облучаемого тела. Чем больше ионизация воздуха над поверхностью тела, тем больше проникающей - и рентгеновской радиации поглотило тело. Х численно равна заряду положительных ионов, образованных излучением на единицу массы воздуха. В СИ Х измеряется в Кл/кг. Внесистемная единица - рентген(Р) = 2,58.10^-4 Кл/кг . Рентген(Р) это такая экспозиционная доза, когда в 1см³ сухого воздуха при нормальных условиях в результате и первичных и вторичных процессах ионизации образуется примерно 2 млрд. пар ионов.

По Х можно рассчитать D по формуле:

D= f Х , (4.1)

где f – коэффициент, который для внесистемных единиц для воды и мягких тканей можно принять за 1 . Таким образом, для мягких тканей и воды экспозиционная доза в 1Р соответствует поглощённой дозе 1 рад. Для костной ткани этот коэффициент принимает значения от 2 до 5 в зависимости от энергии фотона. Большим энергиям соответствуют меньшие значения f.

Биологическая (эквивалентная) доза Н оценивает биологическое действие разных типов излучений по сравнению с действием и рентгеновского излучений. В Си Н измеряется в зивертах(Зв). Зв – единица измерения биологической (эквивалентной) дозы любого вида излучения, соответствующая по биологическому действию 1Гр - и рентгеновского излучений. Внесистемная единица бэр – биологический эквивалент рада. 1 бэр эквивалентен по биологическому действию 1раду- и рентгеновского излучений. 1 бэр = 10^-2 Зв.

Н связана с D формулой:

Н = k∙ D, (4.2)

где k – обэ –относительная биологическая эффективность или коэффициент качества . Для - и рентгеновсого излучений k = 1, по определению. Для излучения также k = 1. Для нейтронного излучения k = 5. Для протонного k = 10. Для - излучения k = 20.

Если дозы измеряются во внесистемных единицах для мягких тканей – для - и рентгеновского излучений экспозиционная доза Х = 1Р соответствует поглощённой дозе D= 1рад и биологической дозе

Н = 1 бэр.

4.6. МОЩНОСТЬ ЭКСПОЗИЦИОННОЙ ДОЗЫ

Важна не только величина дозы облучения, но её мощность – численно равная дозе за единицу времени облучения.

Мощность поглощённой дозы P_D = измеряется вСИ в Гр/с; во внесистемных единицах – это рад/с, рад/час, мрад/час, мкрад/час, рад/год.

Мощность экспозиционной дозы Р_Х= в Си измеряется в Кл/кг.с = А/кг; во внесистемных единицах - это Р/с, Р/час, мР/час, мкР/час, Р/год.

Мощность , биологической дозы Р_н = в Си измеряется в Зв/с; во внесистемных единицах - это бэр/с, бэр/час, мбэр/час, мкбэр/час, бэр/год.

Нормальный радиационный фон на поверхности Земли Р_н = 0,1 бэр/год, чему для - и рентгеновского излучения и для мягких тканей соответствует примерно Р_Х = 10 мкР/час. Причина нормального радиационного фона – космическое излучение и радионуклиды, содержащиеся в земной коре.

Превышение радиационного фона – результат деятельности человека: медицинские обследования, работа электростанций. Тепловые электростанции приводят к большему повышению радиационного фона, чем атомные, но это, если на АЭС не случается аварий. За предельно допустимую дозу (ПДД) для радиационного фона приняты две величины. Для населения – 0,5 бэр/год. Для персонала - людей по роду своей работы, подвергающихся дополнительному облучению и, соответственно, находящихся под усиленным врачебным контролем – 5 бэр/год. Однако следует отметить, биологическое действие ионизирующего облучения – беспороговое. Любое повышение радиационного фона приводит к пропорциональному этому повышению увеличению вероятности онкологических заболеваний и мутаций.

Смертельная доза облучения очень индивидуальна. Считается, что 600 бэр приводят к «смерти под лучом».

Зависимость мощности экспозиционной дозы облучения от расстояния до точечного источника - или рентгеновского излучения:

;;(4.3)

Здесь А- активность источника, r - расстояние до источника, k - гамма- постоянная, определяется природой источника радиации.

Существуют три основных способа защиты от внешнего облучения ионизирующим излучением:

1. расстоянием – располагаться подальше от источника радиации (например пользоваться дистанционно управляемыми манипуляторами);

2. временем – сокращать, по возможности, время работы с радиоактивными препаратами;

3. защитными экранами из материалов, хорошо ослабляющими излучение.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 4

1.Для лечения раковой опухоли в головном мозге был применён имплантируемый радионуклид – источник - излучения, введённый в центр опухоли.- излучение «выжгло» опухоль, не затронув здоровых тканей. Какие свойства- излучения были использованы?

2. Какие ионизирующие излучения опаснее: при облучении снаружи, а какие при попадании их источиков ( например, радиоактивной пыли) внутрь организма?

3. Почему, чем больше ионизирующая способность излучения, тем меньше его проникающая способность?

4. Почему экспозиционную дозу ионизирующего излучения можно применять только для - и рентгеновского излучения?

5. Какие существуют способы защиты от ионизирующего излучения?

6. Скольким мкР/ч соответствует для мягких тканей для - и рентгеновского излучения 0,2 бэр/год?

7. Научный работник в течении 5 часов находится в 3 метрах от точечного источника -излучения. Какова предельно допустимая активность источника, чтобы можно было работать без защитного экрана? Гамма-постоянная равна 1,4 Р м²/ч Ки. Допустимая доза облучения –

0,01 Р.