Лекция 3

Физико-дозиметрические основы действия излучений.

Итак, все виды ионизирующей радиации непосредственно или косвенно вызывают возбуждение и ионизацию атомов среды (поглощающей) и поэтому качественная сторона их радиобиологического эффекта не зависит от вида излучения.

Однако при облучении в равных дозах, но разными видами ионизирующей радиации возникают количественно разные биологические эффекты, что связано с пространственным распределением энергии в облучаемом объеме.

Количественной характеристикой пространственного распределения энергии является частота актов ионизации (линейная плотность ионизации) и линейная передача энергии (ЛПЭ). Для малоразмерных биологических объектов (например, для клеток) при одной и той же поглощенной дозе излучения его биологический эффект тем больше, чем больше величина ЛПЭ. Однако, для крупных организмов такая зависимость нарушается, поскольку проникающая способность излучения находится, как правило, в обратной зависимости от ЛПЭ, и при высоких значениях последней распределение энергии внутри облучаемого объема оказывается неравномерным.

Линейной передачей энергии называют энергию передаваемую частицей веществу на единице ее пробега:

ЛПЭ = dE/dx.

Понятие ЛПЭ было введено Цирклем в 1954 году. С того времени за единицу ЛПЭ принимают количество энергии излучения (кэB), расходуемое частицей при своем прохождении 1мкм в облучаемом материале. ЛПЭ зависит от вида излучения и плотности вещества. Значения этого показателя, приводимые в справочных таблицах, обычно соответствуют величине ЛПЭ конкретного излучения в воде.

Линейной плотностью ионизации (ЛПИ) или удельной ионизацией называют число пар ионов, возникающих на единицу пути частицы (или фотона) в веществе, или – это отношение числа ионов одного знака (dn), образованных ионизирующей частицей на элементарном пути(dl), к этому пути:

I=dn/dl

В зависимости от этой величины все ионизирующие излучения, в том числе и электромагнитные делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим в принципе можно относить все виды электромагнитных излучений и электроны, а к плотноионизирующим – протоны, дейтроны и более тяжелые заряженные частицы.

Однако это деление достаточно условное, т.к. ЛПЭ никак не связана с физической природой или массой частицы, а целиком зависит от скорости ее полета.

Например, в современных мощных ускорителях тяжелые частицы разгоняют до огромных скоростей и энергий, в результате чего они имеют ЛПЭ ниже, чем электроны и их следовало бы относить к редкоионизирующим излучениям.

Поэтому, в настоящее время к редкоионизирующим излучениям принято относить все виды излучений (независимо от физической природы), имеющие ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим – превышающие эту величину.

ЛПЭ зависит прежде всего от энергии и заряда, причем зависимость от величины заряда резко усиливается со снижением скорости частицы. Поэтому в конце пробега отдача энергии всякой заряженной частицы максимальна, что приводит к характерному распределению ионизаций, описываемому т.н. «кривой Брэгга», с конечным максимумом – «пиком Брэгга».

Э

S

та особенность взаимодействия тяжелых заряженных частиц используется при лечении опухолей, т.к. позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине при минимальном ее рассеянии в здоровых тканях по ходу пучка.

Между ЛПЭ и величиной зарядом зависимость прямо пропорциональная. Поэтому при одинаковой скорости движения, которая зависит от исходной энергии, протоны и электроны имеют одинаковую ЛПЭ, т.к. обладают одинаковым по величине зарядом. ЛПЭ пропорциональна квадрату заряда; следовательно, альфа частица, имеющая двойной заряд, вызывает появление ионов в 4 раза чаще, чем протон.

Скоростью потери энергии определяется еще одно важное свойство ионизирующих излучений – проникающая способность. Глубина проникновения ионизирующих излучений зависит, с одной стороны, от состава и плотности облучаемого объекта, а с другой, - от природы и свойств излучения. Чем больше величина ЛПЭ, тем меньше проникающая способность излучения в данном веществе.

Доза излучения и единицы ее измерения.

Не требует доказательств утверждение, что степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующей радиации, в первую очередь зависят от величины поглощенной энергии излучения. Для характеристики этого показателя используется понятие поглощенной дозы (D), т.е. энергии поглощенной единицей массы облучаемого вещества:

D = dE / dm

За единицу поглощенной дозы излучения принимается джоуль на килограмм (Дж/кг).

1 Дж/кг – поглощенная доза излучения, измеряемая энергией в 1 Дж любого ионизирующего излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг.

В системе единиц (СИ) эта величина 1 Дж/кг имеет наименование Грей (Гр). 1 Гр равен 1 Дж поглощенному в 1 кг вещества.

В радиационной биохимии , биофизике и радиационной медицине широкое применение получила внесистемная (специальная) единица поглощенной дозы – рад (Radiation absorbed dose). 1 рад соответствует поглощенной энергии 100 эрг на 1 г вещества. Соотношение между единицами (системной и несистемной):

1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Для характеристики дозы по эффекту ионизации, вызываемому в воздухе, используется т.н. «экспозиционная доза» рентгеновского и гамма-излучения, основанная на их ионизирующем действии. Экспозиционная доза выражается суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице массы или объема воздуха в условиях электронного равновесия. Именно таков физический смысл экспозиционной дозы (X), определяемой по формуле:

X = dQ / dm, где:

dQ - суммарный заряд ионов, dm – масса воздуха в этом объеме.

За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений принимается кулон на килограмм (Кл/кг).

Кл/кг – экспозиционная доза рентгеновских лучей или гамма-излучения, при которой сопряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия на килограмм сухого атмосферного воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд в 1 Кулон электричества каждого знака.

Внесистемной (специальной) единицей экспозиционной дозы рентгеновского или гамма-излучений является рентген (Р).

1 р – экспозиционная доза, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в1см³ (0,001293 г) воздуха производит в воздухе ионы несущие заряд в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

По определению 1р = 1СГСЭ = n· q, где «n» - число ионов, «q» - заряд иона ( q = 4,8 · 10^-10 CГСЭ).

Таким образом, для образования одной электростатической единицы заряда требуется ионов:

n = 1/ 4,8 10^-10 = 2,08· 10⁹пар ионов /см³.

При средней работе на один акт ионизации в воздухе, равной 34 эВ (1эВ = 1,6· 10^-12 эрг), единице экспозиционной дозы в 1р будет соответствовать:

1р = 2,08·10⁰⁹ · 34 · 10^-6 = 7,06·10⁴Мэв/см³ = 0,114эрг/см³, а в пересчете на 1г воздуха = 87,7эрг/г.

Эти величины принято называть энергетическими эквивалентами рентгена. С их помощью можно соотнести поглощенную и экспозиционную дозу и их единицы:

Х(р) = 0,877 · D(рад)

Соотношение между системной и внесистемной единицами экспозиционной дозы:

1Кл/кг = 3876 р 1р = 2,58 ·10^-4 Кл/кг

Поглощенная и экспозиционная дозы излучений, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспозиционной доз. Непосредственно измеряют, как правило, мощность экспозиционной дозы. Ее единицей в СИ является Кл/(кг·с), то есть А/кг. Часто пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы – Р/час и ее производными (мР/час, мкР/час). Единицами мощности поглощенной дозы служат Гр/с, рад/с и их производные.

В зависимости от мощности дозы и времени действия ионизирующего излучения различают кратковременное, пролонгированное и хроническое облучение. Кратковременным облучением считается импульсное воздействие излучения ядерного взрыва, а также облучение с мощностью дозы свыше 0,02 Гр/мин. Непрерывное радиационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет называют хроническим, а промежуточное положение между кратковременным и хроническим, занимает пролонгированное облучение. Временные границы между кратковременным, пролонгированным и хроническим облучением являются весьма условными. Если не менее 80% всей дозы организм человека получает не более чем за 4 суток и перерывов в облучении нет или они очень непродолжительны (минуты, часы), то такое облучение называют однократным или острым. Острое облучение в больших дозах возможно при действии проникающей радиации ядерного взрыва, при преодолении зоны радиоактивного заражения местности, при нахождении вблизи разрушенного реактора. Если получаемая доза ионизирующего излучения разделена на части (фракции), чередующиеся с длительными промежутками времени, в течение которых облучение не происходит, то такое облучение называют фракционированным. Фракционированное облучение возможно, например, при многократном пересечении зон радиоактивного заражения местности или при лучевой терапии.

Из изложенного выше ясно, что одно и тоже количество энергии можно сообщить биологическому объекту при облучении различными типами ионизирующих излучений (частиц). Так как число возбуждений и ионизаций определяется величиной поглощенной дозы излучения, можно было бы ожидать, что различные виды ионизирующих частиц приводят к одному и тому же биологическому эффекту, при условии, что объект поглотил одинаковую дозу (энергию) излучения. В действительности это не так, поскольку приведенные выше определения не учитывают различной плотности ионизаций для разных видов, т.е. величину ЛПЭ, определение которой мы рассмотрели выше.

Величина ЛПЭ является важнейшей радиобиологической характеристикой излучения, показателем его биологической эффективности, или, как иногда говорят, «качества». Если движущаяся частица производит ионизации значительно удаленные друг от друга, то вероятность возникновения нескольких ионов в пределах макромолекулы, субклеточной органеллы или клетки в целом сравнительно невелика. Напротив, когда акты ионизации следуют непрерывно вдоль трека частицы, можно ожидать возникновения многих ионов в пределах одной субклеточной структуры, например двух ионизаций в комплементарных участках двухнитевой молекулы ДНК. Очевидно, что плотноионизирующие излучения (с высокой величиной ЛПЭ) должны значительно эффективнее поражать ДНК и связанные с ней клеточные функции (процессы), чем редкоионизирующие излучения.

Чтобы можно было сравнить различные виды излучения друг с другом, введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Под ОБЭ излучения понимают его относительную (по сравнению с рентгеновским или гамма-излучением) способность при заданной поглощенной дозе вызывать лучевое поражение определенной степени тяжести. ОБЭ рентгеновского и гамма-излучения определенной энергии (100 – 150 кэВ) принимается равной единице.

Коэффициент ОБЭ (ŋ) определяется как отношение поглощенной дозы образцового излучения (D₀), вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе (D) рассматриваемого излучения, вызывающей тот же самый эффект:

ŋ = D₀/D.

Величина коэффициентов ОБЭ в определенной степени зависит не только от ЛПЭ, но и от ряда физических и биологических факторов.

Физические: 1) Уровни доз (с увеличением дозы быстрых нейтронов ОБЭ уменьшается);

2) Кратность облучения (для тех же быстрых нейтронов при многократном облучении мышей ОБЭ = 3,5, а при остром – 3,0);

3) Распределение дозы во времени и др..

К факторам биологической природы, влияющим на величину ОБЭ, относятся такие, как вид животного, а также критерий, используемый для оценки биологического эффекта, возникающего вслед за облучением (например, коэффициенты ОБЭ по таким критериям как средняя продолжительность жизни, атрофия яичек, частота «прививок» лейкемии экспериментальным животным и др. – неравнозначны). Следует также учитывать, что одни органы и ткани более чувствительны к действию радиации, чем другие. Например, при одинаковой поглощенной дозе облучения вероятность возникновения рака в легких больше, чем в щитовидной железе. Облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических последствий. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с различными коэффициентами.

В связи с изложенным коэффициенты ОБЭ используются только при сравнительной оценке действия различных видов излучений в радиобиологии, т.е. в научных целях. Для решения же задач радиационной защиты были предложены коэффициенты качества «К»(Q), которые показывают во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой дозе в тканях.

Коэффициенты качества излучения связаны определенным образом только с ЛПЭ.

Таблица 1

Зависимость усредненной величины коэффициента качества излучения от величины линейной потери энергии.

ЛПЭ Кэв/мкм в воде	≤ 3,5	7	23	53	≥ 175
К(Q)	1	2	5	10	20

Приведем коэффициенты качества принятые для некоторых видов ионизирующей радиации при хроническом облучении всего тела:

R- и γ-излучение - 1

β-излучение -1

Протоны (<10 МэВ) -10

Альфа-излучение (<10 МэВ) -20

Нейтроны (<20 кэВ) -3

Нейтроны (0,1 – 10 МэВ) –10

Коэффициенты качества используются для расчета т.н. эквивалентных доз.

Эквивалентной дозой (Н) называется произведение поглощенной дозы и среднего коэффициента качества:

Н = D · К(Q).

Поскольку К – безразмерный коэффициент, то эквивалентная доза имеет ту же размерность, что и поглощенная доза, но имеет собственные названия единиц измерения.

В качестве специальной единицы эквивалентной дозы принят бэр (биологический эквивалент рада).

Бэр – поглощенная доза любого вида ионизирующей радиации, которая имеет такую же биологическую эффективность как 1рад рентгеновского излучения со средней удельной ионизацией 100 пар ионов на 1мкм пути в воде.

1бэр = 100эрг/г / К = 1· 10^-2Дж/кг / К = 0,01 Гр / К = 0,01 Зв,

Зиверт (Зв) – единица эквивалентной дозы в СИ .

1Зв = 1Гр/К = 1Дж/кг / К = 100рад/К = 100бэр.

Эквивалентная доза используется в мероприятиях по радиационной безопасности для учета вредных эффектов биологического действия различных видов ионизирующих излучений при хроническом облучении человека малыми дозами, не превышающими 250 мЗв в год (5 ПДД для профессионалов). Ее нельзя использовать для оценки последствий аварийного облучения человека.

Различные виды эквивалентных доз:

Эффективная (с учетом коэффициентов риска (КР) для отдельных органов) – Зв.

Коллективная (с учетом количества облученных в популяции) – Человеко-Зв.

Ожидаемая (с учетом продолжительности воздействия) – Зв.

Полная (с учетом всех видов ионизирующих излучений) – Зв.

С помощью приборов довольно просто можно измерить экспозиционную дозу. При определенных условиях измерению поддается и поглощенная доза, хотя сделать это гораздо труднее. Все остальные дозы приборами не измеряются, а рассчитываются и оцениваются с использованием косвенных радиометрических данных и разнообразных коэффициентов.

Доступная литература: (2) – стр.18-27; (9) – стр.36-43, 99-108; (10) – стр.41-49, 147-157