3

Билет № 3.

1. Нейтронное излучение и его источники.

Нейтрон не имеет заряда, это приводит к тому, что нейтроны не взаимодействуют с электронными оболочками ядер атомов. Взаимодействие их происходит только с ядрами и характер взаимодействия нейтрона с ядром зависит от энергии нейтрона. Свободный нейтрон (не входящий в состав ядра атома) является нестабильной частицей и распадается на протон, электрон и антинейтрино (см. раздел 1.2 ). Период полураспада нейтрона составляет 918 с. Важнейшими характеристиками нейтрона являются его масса (практически равная массе протона, соответственно 1838,6 и 1836,1 масс электрона), кинетическая энергия, и сечение (или вероятность) взаимодействия с ядром. Скорость нейтрона связана с его энергией соотношением v=13.8/√Е км/с и при энергии 1 эВ почти в 10 раз превышает скорость звука в воде, а при энергии 50 МэВ уже соизмерима со скоростью света. (v/с≈0.31). По энергии нейтроны можно разделить на медленные (Еn 0,5

кэВ), промежуточные (0,5 кэВ Еn 0,5 МэВ), и быстрые (Еn 0,5 МэВ). В группе медленных нейтронов часто выделяют так называемые тепловые нейтроны. Их энергия не превышает 1 эВ. При температуре +20°С их средняя энергия составляет 0,025 эВ и средняя скорость 2200 м\с.

Быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, замедляются до тепловых энергий и легко захватываются ядрами, вызывая ядерные реакции. Но в зависимости от типа ядра-мишени ядерные реакции могут протекать и под воздействием медленных нейтронов. При прохождении нейтронов через вещество могут иметь место два типа взаимодействия их с ядрами среды – рассеяние (упругое и неупругое) и поглощение.

Упругое рассеяние приводит к перераспределению кинетической энергии и образованию ядра отдачи. Кинетическая энергия ядра отдачи определяется формулой:

где mn и En - масса и энергия нейтрона, M и E - масса и энергия ядра отдачи, - угол между направлением движения налетающего нейтрона и ядра отдачи.

Вещества, используемые для замедления быстрых нейтронов, называются замедлителями. Наилучшими замедлителями будут такие, которые уменьшают скорость быстрых нейтронов в результате наименьшего числа столкновений. К ним относятся углерод и водородсодержащие вещества: вода, тяжелая вода, графит, парафин и др.

Упругое рассеяние быстрых нейтронов на ядрах широко используется в дозиметрии, т.к. энергию, переданную ядру отдачи можно измерить (см главу 4). Ядра отдачи, наделенные кинетической энергией, ведут себя как тяжелые заряженные частицы, производя ионизацию и возбуждение атомов среды. Поэтому нейтронное излучение является, как фотонные виды ионизирующих излучений принято относить к косвенноионизирующим излучениям. Радиобиологический эффект нейтронов обусловлен именно ядрами отдачи.

При неупругом рассеянии нейтрон расходует часть энергии на перевод ядра в возбужденное состояние. Возбужденные ядра переходят в основное, испуская -кванты. Чтобы быстрый нейтрон рассеялся не упруго, его энергия должна превышать энергию первого возбужденного состояния ядра. Для возбуждения легких ядер требуется значительная энергия (например, для 14C ≈ 5 МэВ). Для более тяжелых - меньшая (порядка 0,1 МэВ). Вследствие этого неупругое рассеяние быстрых нейтронов незначительно на легких ядрах, а для ядер элементов, расположенных в середине и конце таблицы Менделеева оно велико. Быстрые нейтроны (с энергией несколько МэВ) при прохождении через среду с тяжелыми ядрами испытывают одно-два неупругих столкновения, теряя значительную долю своей энергии, а затем уже взаимодействуют упруго.

Поглощение нейтронов ядром - приводит изменению природы взаимодействующих частиц, т.е. к осуществлению ядерной реакции. В зависимости от энергии нейтрона

ядерные реакции могут идти разными путями. Ядерные реакции первого типа - AX(n, )A+1X получили название радиационного захвата нейтрона. Согласно уравнению Ферми, эффективное поперечное сечение реакции радиационного захвата нейтрона (n, ) обратно пропорционально его скорости vn:

Радиационный захват приводит к рождению новых изотопов элемента, в том числе и радиоактивных. Образование радионуклидов под действием нейтронного излучения получило название наведенной радиоактивности.

Феномен наведенной радиоактивности используется для косвенного определения дозы нейтронного излучения, полученного человеком. Ее измеряют по содержанию в биологических средах 24Na, образующегося в результате ядерной реакции 23Na(n, )24Na, и являющегося -излучателем. Кроме радиоактивного натрия в организме под действием нейтронов образуется радиоуглерод в реакции 14N (n,р) 14C. Наведенная радиоактивность используется также в геологии для определения элементного состава горных пород (подробнее см. в главе 8).

Во взаимодействии нейтронов с биологическими тканями имеется ряд особенностей.

Поскольку биоткань построена из биополимеров состоящих из атомов легких элементов – Н,С,N,O, быстрые нейтроны в ней легко термализируются (т.е. замедляются) за счет упругого рассеяния. Возникающие ядра отдачи (особенно ядра водорода – протоны отдачи) обладают значительной кинетической энергией и вызывают ионизацию значительной плотности, тем самым, оказывая повреждающее (радиобиологическое) действие на биомолекулы. Тепловые нейтроны принимают участие в реакциях радиационного захвата, вызывая рождение радионуклидов и испускание -квантов. Совокупностью этих процессов определяется биологическое действие нейтронов

Способность ядер поглощать нейтроны используется при выборе защиты от нейтронного излучения. Хорошими веществами-поглотителями медленных нейтронов являются изитопы кадмия и бора:

113Cd (n, ) 113Cd , 10B (n, ) 7Li, 10B (n, ) 11B

Именно эти вещества часто вводятся в защитные экраны из других материалов (сталь, алюминий, бетон, свинец, вода) для улучшения их поглощающих свойств.

При проектировании защиты от нейтронного излучения необходимо выбирать материал с учетом защитных и механических свойств, а также его стоимости, веса и объема. Защитные свойства материалов от нейтронного излучения определяются их замедляющей и поглощающей способностями, степенью активации (т.е. подверженности наведенной радиации).

Быстрые нейтроны наиболее эффективно замедляются веществами с малым порядковым номером. К таким веществам относятся водородсодержащие вещества (вода, тяжелая вода, парафин, полиэтилен и другие пластмассы). Для эффективного поглощения тепловых нейтронов применяются материалы, имеющие большое сечение поглощения - соединения с бором: борная сталь, бораль, борный графит; кадмий и др. Гамма-излучение наиболее эффективно ослабляется материалами с высокой плотностью (свинец, сталь, бетон, свинцовое стекло и др.). Таким образом, защита от нейтронного излучения всегда комбинированная - состоящая из композитного материала или из нескольких слоев.

Нейтронная терапия НЗТ - Нейтрон-захватная терапия —в опухоль вводят препарат(лекарство), содержащий

бор или гадолиний, и облучают ее пучком тепловых нейтронов. Бор или гадолиний являются усилителем действия внешнего нейтронного излучения. Т.е. если в опухоли окажутся атомы бора или гадолиния, они, поглощая нейтроны, начнут испускать высокоэнергетическое излучение, разрушающее раковые клетки Лекарство обладает способностью накапливаться только в опухоли, поэтому здоровые ткани практически не страдают.

Молекулы носители:BSH, BPA

гипоксантина и 8-оксиаденина из пуринов. К “потерям” относят образование гидроперекисей и гликолей пиримидинов, образование производных пиримидинов из пуринов и разрыв колец азотистых оснований.

Разрывы нитей ДНК: Считают, что радикалы ОН· атакуют дезоксирибозу, удаляют водород от С5, который замещается на О2 с образованием пероксидного радикала. Это приводит к разрыву связи между 4 и 5 углеродными атомами и к последующей элиминации неорганического фосфата. Так реализуется около 80% одиночных разрывов. Число одиночных разрывов(ОР) пропорционально дозе облучения в диапазоне доз от 0.05 до 1000 Гр. При дозе 1 рад в ядре соматической клетки возникает около 10 одиночных разрывов.

Двойные разрывы являются результатом накопления единичных разрывов. Соотношение между двойными и единичными разрывами примерно равно1:5-1:10. Накопление разрывов находится в прямой зависимости от дозы. При дозе 1 рад в ядре соматической клетки возникает приблизительно 10 единичных разрывов. Кластеры (места наибольшей локализации) двойных разрывов характеризуются появлением низкомолекулярных фрагментов ДНК; образование их зависит от ЛПЭ.

Биологические последствия разрывов неоднозначны и зависят от состояния репарирующих систем клетки. Одиночные разрывы легко восстанавливаются и не ведут к гибели клетки. Двойные разрывы восстанавливаются хуже и являются основной (но не единственной) из причин летального эффекта радиации.

Денатурация ДНК: Под действием ионизирующей радиации происходит образование зон денатурации, за счет чего уменьшается гиперхромизм и температура плавления ДНК. Зоны плавления ДНК сгруппированы вокруг одиночных разрывов и включают в себя около 10 пар нуклеотидов (на некоторых объектах зарегистрировано, что на 1 одиночный разрыв приходится 13 - 24 разрывов водородных связей). Радиационная деспирализация более эффективно идет на участках ДНК , обогащенных АТ-парами. Механизм повреждения водородных связей может быть обусловлен: дезаминированием оснований, содействующем разрыву водородных связей; проникновением молекул воды внутрь двойной спирали в результате возникновения одиночных разрывов в полинуклеотидных цепях и заменой водородных связей на связи между основаниями и молекулами воды.

Нарушение третичной структуры ДНК: Лабилизация связи ДНК - Белок, особенно связи ДНК с лизинбогатым гистоном, влечет за собой нарушение конфигурации (компактизации) ДНК, происходит релаксация сверхскрученных петель. Считают, что ядерные белки, входящие в состав ДНП, играют активную роль в определении целостных ДНП после облучения. При этом имеется в виду не только защитная роль белка, но и значение белка как фактора, способствующего реализации радиационного повреждения. Было также установлено пострадиационное нарушение способности молекул ДНП к нормальному взаимодействию между собой. Нарушение межмолекулярного взаимодействия, вероятно, происходит из-за повреждения групп, ответственных за молекулярное связывание или выхода из комплекса части белковых молекул, содержащих эти группы. Эффект действия радиации на ДНП-структуры зависит от степени завершенности образования этих объектов.

Образование сшивок: Кроме эффекта деградации ДНК (снижения молекулярной массы) облучение вызывает появление молекул с повышенной молекулярной массой. Такие молекулы возникают в результате межмолекулярных сшивок. Сшивки ДНК - ДНК являются результатом того, что облучение вызывает образование в облученной ДНК радикалов и одиночных разрывов, что приводит к тому, что реакционно-способные группы вступают во взаимодействие (ковалентное связывание). Помимо

межмолекулярных сшивок, возникают и внутримолекулярные сшивки за счет ковалентных связей между радикалами оснований. Чаще возникают сшивки между пиримидинами(особенно часто - димеры тимина).В результате сшивок ДНК - ДНК образуется нерастворимый гель, а при электронной микроскопии выявляются разветвленные структуры ДНК.

Суммируя результаты экспериментов по радиолизу ДНК в растворе, можно указать, что:

наиболее радиочувствительными структурами являются НМС - ДНК, которые поражаются при дозах меньше 5 Гр (величина радиационнохимического выхода для этого процесса равна 300);

при дозах порядка 10-50 Гр происходят изменения во вторичной структуре ДНК (выход для частичной денатурации равен 18, а для полной денатурации

- 10);

первичная структура ДНК изменяется при облучении ее растворов дозами более 300Гр: происходят разрушения хромофоров и другие изменения оснований ( выход для изменения пиримидинов равен 3, для изменения пуринов - 1.5, для образования единичных разрывов - 0.75, для образования сшивок - 0.37 и для образования двойных разрывов в цепях ДНК - 0.1 ).

3. Радиационное поражение инкорпорированными радионуклидами. Методы ограничения поступления радионуклидов во внутреннюю среду организма.

При оценке биологического действия внутреннего облучения необходимо учитывать его особенности по сравнению с эффектами внешнего общего облучения:

—Тропность конкретных радионуклидов к определенным органам и тканям, которые в результате подвергаются наибольшему облучению и поэтому становятся критическими.

—Неравномерность облучения вследствие различий в органо-тропности радионуклидов, особенно с учетом микрораспределения поглощенной дозы; наиболее интенсивному облучению подвергаются органы поступления и основного депонирования радионуклидов. Исключение составляет их небольшая группа ( Cs, 95Nb, l06Rb,210Po), обладающая относительно равномерным распределением.

—Протяженный характер облучения. Даже при однократном поступлении радионуклида облучение происходит длительно, иногда в течение всей жизни с постоянной или постепенно уменьшающейся мощностью дозы, зависящей от его периода полураспада.

Пути поступления радионуклидов в организм

Ингаляционно – легкие критич орган– в зас от разм частиц задерживается в дыхательной системе – в кровеносное русло (хорошо раств инкорпор рн) – отклад в определ органах или выводятся

Нерастворимые или слаборастворимые вещества, осевшие в верхних дыхательных путях, удаляются из них вместе со слизью – в ЖКТ, где резорбируются кишечной стенкой. Частицы, осевшие в альвеолярной части легочной ткани, либо захватываются фагоцитами и удаляются, либо мигрируют в лимфатические узлы, удаляясь из них в течение нескольких месяцев или лет.

Поступление радионуклидов с пищей и водой - ЖКТ критич орган - помимо фоновой конц естест рн, мб зараж искусств рн (по пищевым цепочкам) – растворимые соед при щелочном рН превращ в нераст гидрооксиды. В организм поступает лишь некоторая часть попавших в кишечник радионуклидов, большая часть их проходит «транзитом» и удаляется из кишечника.

Во время нахождения радиоактивных веществ в пищеварительном тракте происходит облучение кишечника, причем корот-копробежные а- или р-частицы облучают только его стенку, а у-кванты достигают и других внутренних органов, расположенных в брюшной полости и грудной клетке.

Орган является критическим, если он: а) получает наибольшую дозу или усваивает наибольшее количество радионуклидов; б) играет наиболее важную роль (или необходим) для нормального функционирования всего организма; в) обладает наибольшей радиочувствительностью, т. е. повреждается самой низкой дозой излучения по сравнению с другими органами.

Проницаемость кожи резко увеличивается при воздействии многих химически активных веществ, например обезжиривающих растворителей, особенно при повреждении рогового слоя эпидермиса, играющего главную роль в барьерной функции кожи. В производственных условиях из-за трещин, царапин и ссадин реальная опасность поступления радионуклидов в организм через кожу возрастает. Значительное влияние на интенсивность подкожного поглощения радионуклидов оказывают температура и влажность окружающей среды.

Радионуклиды, проникающие транскутанно, создают опасность облучения самой кожи и тех внутренних органов, куда они доставляются с током крови.

Распределение инкорпорированных радионуклидов в организме

Существует три основных типа распределения радионуклидов в организме — скелетный (щелочнозем в минеральной части скелета, плутоний и торий, задерживающихся в костной ткани), ретикулоэндотелиальный (редкоземельн и трансур) и диффузный - щелочные элементы — К, Na, Cs, Rb, а также нуклиды Н, N, С, Р и некоторых других элементов. Известны отдельные случаи высокой избирательности распределения. Так, изотопы йода накапливаются исключительно в щитовидной железе.

Очевидно, что «органотропные» радионуклиды опаснее «диффузных», так как их концентрации в тканях, а следовательно, и тканевые дозы при прочих равных условиях всегда имеют большую величину1.

Методом авторадиографии было показано, что остеотропные элементы, такие как Sr и Ra, накапливаются преимущественно в растущих участках трубчатых костей — мета-физах и эпифизах, распределяясь там неравномерно и образуя так называемые горячие пятна.

Локальные неоднородности распределения отмечаются и для других радионуклидов, например, для Ри иТп — в легких, скелете, печени, а для I — в щитовидной железе.

Ограничение поступления: предупреждение накопления радиойода в щитовидной железе путем применения (приема внутрь) лекарственных препаратов стабильного йода (йодная профилактика), исключение или ограничение потребления с пищей загрязненных продуктов питания, эвакуация,защита органов дыхания подручными средствами, желательно увлажненными (носовые платки, полотенца, бумажные салфетки и пр.)

Профилактика и лечение поражений инкорпорированными радионуклидами

прием препаратов, сорбирующих радионуклиды, промывание желудка, назначение солевых слабительных (касторовое масло усиливает всасывание радионуклидов), а в последующем сифонных и обычных клизм, так как ПЯД могут длительно (до 1 сут и более) находиться в толстом кишечнике.

В качестве сорбентов используют адсорбар, полисурьмин, высоко окисленную целлюлозу, альгинат кальция, ферроцин. Медицинские мероприятия должны быть направлены на замену радионуклидов стабильными изотопами на всех этапах их метаболизма: в местах поступления, в процессе транспорта по кровеносной системе, в органах и тканях и на этапе выведения их из организма через почки и пищеварительный трактприменение стабильного йода в виде KI с целью ускорения выведения 1311 — одного из биологически важных компонентов ПЯД.

4. Искусственные источники ионизирующих излучений.

Искусственные источники ИИ делят на две большие группы: изотопные и неизотопные. В первую группу входят радионуклиды, полученные в искусственных условиях и не существующие в природе. Вторую группу образуют технические устройства, служащие для получения потока ионизирующих частиц - ускорители, рентгеновские трубки, ядерные реакторы.

-рн ист (получены искусств путем – в 1919 г Резерфорд провел первую яд рц 14N (a,p)17O. В 1932 чедвик открыл нейтрон, в 1934 фредерик и ирен жолио кюри получили первые иск рн, в 1940 Ферми подверг бомбардировке нейтронами уран, вскоре получены первые трансурановые элементы). Эйншейний (Es), фермий (Fm) впервые были получены при ядерных взрывах, т.е. путем кратковременного облучения урана сверхмощным протоком нейтронов. В этих условиях ядро урана может сразу поглотить более 10 нейтронов и затем путем -распада перейти в новый элемент:

238U + 17 n 255U 8 -распадов 255Fm

Получение таким способом более тяжелых трансурановых элементов возможно только при длительном облучении урана мощным потоком нейтронов в ядерном реакторе. Другим методом получения радионуклидов является бомбардировка мишени мощным заряженных частиц. Для этой цели используют специальные устройства – ускорители. Современные ускорители позволяют получать изотопы далеких трансурановых элементов. Для этого мишень облучают мощным потоком -частиц, либо тяжелыми ионами, например, ксенона-156. Подобным образом был получен резерфордий В настоящее время на ускорителях и в ядерных реакторах в промышленных масштабах

производят необходимые радионуклиды, как существующие в природе (3H, 14C, 32P), так и не встречающиеся в ней (60Co, 90Sr, 137Cs и др.).

-технические устройства (для получения потоков ионизирующих частиц)

А)лин ускорители – ускор част движ-ся по прямой в вакуумной камере, ускор постоянным эл током, расположенными вдоль этой камеры. Частица ускоряется проходя имеено через зазор, а внутри без ускорения.

Б)циклотрон – частица ускор-ся переменным эл током, возникающим между эл-дами, движется по спирали. электрон движется ещё и в магнитном поле, т.к. электроды помещены в магн поле между полюсами электромагнита.

В) рентгеновская трубка – нить накала – нагрев катода – электроны нач двиг к аноду как только появится напряжение – попадают на анод – тормозное рентгеновское изл. Управлять рентген трубой можно изменяя напряж (смещение по длине волны) и изм температуру катода (изм интенсивности)

Г)ЭЛТ (электроннолуч трубки)