Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною

Первинними механізмами взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною є збудження атома або його іонізація внаслідок передачі енергії випромінювання електрону атома.

Збудження атомів виникає у тих випадках, коли під впливом не дуже великої енергії випромінювання електрон тимчасово на надто короткий час залишає свою орбіталь, а повертаючись на попереднє місце призводить до виникнення низькоенергетичного кванта випромінювання.

Іонізація речовини виникає при відриві електрона від атома внаслідок впливу іонізуючого випромінювання з енергією, здатною відірвати електрон (20-35 еВ). Атом, що втратив електрон, з електронейтрального став позитивно зарядженим іоном. Втрачений атомом електрон приєднується до іншого атома і утворює негативно заряджений іон. Так утворюється пара іонів.

В залежності від величини лінійної передачі енергії (ЛПЕ) всі іонізуючі випромінювання ділять на рідко - і щільноіонізуючі. До рідкоіонізуючих випромінювань відносять всі види випромінювань з ЛПЕ меншою 10 кеВ/мкм — β- та квантові випромінювання, а до щільноіонізуючих — з ЛПЕ вищою 10 кеВ/мкм — нейтрони, протони, ядра важких хімічних елементів.

Різні види випромінювань викликають іонізацію середовища неоднотипно.

Первинноіонізуючі випромінювання передають свою енергію середовищу безпосередньо іонізуючими зарядженими частинки (α-, β-частинки, протони, важкі іони, π-мезони) шляхом відриву від атомів і молекул середовища електронів в результаті взаємодії їх електричних зарядів.

До вторинноіонізуючих відносяться квантові випромінювання (рентгенівське та γ-випромінювання) і нейтрони.

Взаємодія квантового випромінювання з речовиною.

При взаємодії квантового випромінювання з речовиною виникають наступні ефекти:

1. Фотоелектричний ефект (фотоефект) настає внаслідок передачі всієї енергії кванта орбітальному електрону, який вибивається з орбіталі атома речовини і називається фотоелектроном. Атом, який втратив електрон, перетворюється в позитивний іон, а фотоелектрон викликає іонізацію середовища як безпосередньо іонізуюча частинка. В кінці шляху пробігу фотоелектрон губить енергію, приєднується до нейтрального атома середовища і перетворює його в негативно заряджений іон. Фотоефект виникає при енергії кванта 0,1 - 0,3 МеВ.

2. Комптон-ефект (комптонівське розсіювання) полягає в передачі частини енергії γ-кванта електрону середовища і зміні свого попереднього напрямку, а електрон рухається в напрямку, зміненому впливом енергії γ-кванта. Такий електрон називається електроном віддачі і може іонізувати середовище. Комптон-ефект виникає при енергії γ-квантів близькій до 1 МеВ.

3. Утворення електронно-позитронних пар виникає внаслідок зіткнення фотона (з енергією більшою 1 МеВ) з полем ядра речовини, при цьому утворюється пара електрон-позитрон, яка викликає іонізацію середовища. При анігіляції електронно-позитронної пари виникає γ-фотон з енергією 1,02 МеВ. Фотони з енергією більшою 2,2 МеВ можуть вибити з ядра атома нейтрон чи протон. Це явище називається ядерним фотоефектом, в результаті чого часто виникають радіонукліди.

Взаємодія корпускулярного випромінювання з речовиною.

При взаємодії α-частинок з речовиною виникає збудження та іонізація атомів внаслідок непружних¹ зіткнень з орбітальними електронами. При потраплянні α-частинок в ядро атома речовини виникає ядерна реакція з виділенням нейтронів, α-частинок, тощо.

При взаємодії β-частинок з речовиною виникають пружні² і непружні взаємодії, внаслідок чого виникає іонізація, збудження атомів та ядер і гальмівне³ випромінювання.

Крива Брегга. При проникненні заряджених частинок углиб речовини наростає кількість взаємодій випромінювання з атомами і молекулами. При цьому швидкість частинок зменшується, відповідно підвищується ймовірність нових взаємодій, і частота іонізацій збільшується. Із збільшенням пробігу питома іонізація (число іонізацій на одиницю довжини пробігу) зростає, досягає максимуму (пік Брегга), а далі швидко зменшується до нуля.

Взаємодія нейтронів з речовиною.

Особливості взаємодії нейтронів з речовиною залежать від їх енергії. За енергією розрізняють:

1. Повільні нейтрони: а) ультрахолодні — 10 ^-7 еВ; б) холодні — до 5 •10 ^-3 еВ;

в) теплові — до 0,5 еВ; г) надтеплові — до 10 еВ.

2. Резонансні нейтрони — 0,5 кеВ.

3. Проміжні нейтрони — 0,2 МеВ.

4. Швидкі нейтрони — до 20 МеВ.

5. Дуже швидкі нейтрони - до 300 МеВ.

6. Надшвидкі (релятивістські) нейтрони — понад 300 МеВ.

Повільні нейтрони захоплюються ядрами середовища, внаслідок чого може виникати наведена радіоактивність, наприклад:

Резонансні нейтрони захоплюються лише важкими ядрами. Для проміжних і швидких нейтронів типовим є пружне розсіювання і ядерні реакції. При пружному розсіюванні нейтрони виштовхують ядра речовини, а потік ядер призводить до іонізації середовища (непряма іонізація нейтронами). Ці ядра називаються ядрами віддачі.

Для швидких нейтронів характерне як пружне, так і непружне розсіювання.

При цьому випромінюються протони, α-частинки, дейтрони, тощо, які здатні іонізувати середовище (непряма іонізація нейтронами).

Дуже швидкі і релятивістські нейтрони викликають реакцію сколювання при зіткненні із великими ядрами, внаслідок чого утворюється потік π-мезонів, декількох уламків ядра і γ-квантів, яким властивий іонізуючий ефект.

ДОЗИМЕТРІЯ ІОНИЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ.

Дозиметрія — це визначення кількості і якості іонізуючих випромінювань.

Задачі клінічної дозиметрії: 1) виявлення джерела випромінювань, визначення виду, активності і енергії випромінювання;

2) визначення ступеня впливу випромінювання на опромінюваний об'єкт.

Дозою іонізуючих випромінювань називається енергія, передана випромінюванням елементарному об’єму або масі опромінюваної речовини.

Експозиційна доза (фотонного рентгенівського і гама-випромінювань)/ДО/- це кількісна характеристика випромінювань, основана на їх здатності іонізувати повітря. За одиницю експозиційної дози в системі СІ прийнята така доза, яка в 1 кг сухого повітря утворює іони, що несуть заряд 1 Кл кожного знаку — Кл/кг. Позасистемна одиниця експозиційної дози — рентген (Р). 1Р утворює в 1 см³ сухого повітря при нормальних фізичних умовах 2,08·10⁹ пар іонів. Похідні рентгена: 0.001Р=1 мР; 0.000001 Р= 1мкР.

Потужність експозиційної дози фотонного випромінювання (Ро) - експозиційна доза в одиницю часу — 1 Кл/кг·с =1 А/кг. Позасистемна одиниця — Р/год, мР/сек. та ін.

Поглинута доза випромінювання (Д) — енергія випромінювання, поглинута одиницею маси опромінюваного середовища. В системі СІ одиницею поглинутої дози є Грей⁴ (Гр), що дорівнює 1 Дж/кг. Позасистемна одиниця поглинутої дози — рад (від „радіаційна адсорбована доза”). Її величина дорівнює 100 ерг енергії на 1 г речовини. 1 Гр = 100 рад, 1 рад = 0,01 Гр.

Потужність поглинутої дози іонізуючого випромінювання (Р) - поглинута доза в одиницю часу Грей/с, рад/с.

Інтегральна поглинута доза - середня енергія іонізуючого випромінювання, поглинута певною масою тканин патологічного осередку, опроміненого органу, частини або всього тіла - Грей·кг (кг·рад).

Еквівалентна доза опромінення (Н) — Зіверт⁵ (Зв) — це така поглинута доза будь-якого виду іонізуючого випромінювання, яка викликає такий же біологічний ефект, як 1 Гр поглинутої дози рентгенівського або гамма-випромінювань (Дж/кг); 0.01 Зв = 1 бер (біологічний еквівалент рентгена).

Індивідуальна доза опромінення – це сума еквівалентних доз опромінення, яку людина отримує за певний період її життя.

Доза еквівалентна (Н_Т) в органі чи в тканині Т — величина, яка визначається як добуток поглинутої дози Д_Т в окремому органі або тканині Т на радіаційний зважувальний фактор W_R.: Н_T = Д_Т ∙ W_R

Радіаційний зважувальний фактор — коефіцієнт, який враховує біологічну ефективність різних видів іонізуючих випромінювань у зв’язку з різною величиною лінійної передачі енергії (ЛПЕ). ЛПЕ (L) — це відношення повної енергії dЕ, що передана речовині зарядженою частинкою внаслідок зіткнень на шляху dL, до довжини цього шляху: L=dE/dL.

Значення радіаційних зважувальних факторів (W_R) (див. табл. 1.1.).

Таблиця 1.1. Значення радіаційних зважувальних факторів (W_R)

Види випромінювань	WR
Фотони — рентгенівські та гама-промені, всі енергії	1
Бета-промені, мюони, всі енергії	1
Протони (<10 МеВ)	10
Нейтрони (2 – 10 МеВ)	10
Альфа-промені, важкі ядра віддачі	20

Розподіл доз в окремих органах і тканинах залежить від величин еквівалентних доз та значення тканинних зважувальних факторів для окремих тканин чи органів.

Тканинний зважувальний фактор (W_t) — коефіцієнт, який відображає відносний стохастичний (імовірний) ризик опромінення окремої тканини чи органа до загального ризику при нерівномірному опроміненні тіла (див. табл. 1.2.)

Таблиця 1.2. Значення тканинних зважувальних факторів

№	Тканина або орган	Wt	№	Тканина або орган	Wt
1	Гонади	0,20	8	Печінка	0,05
2	Кістковий мозок (червоний)	0,12	9	Стравохід	0,05
3	Товста кишка	0,12	10	Щитовидна залоза	0,05
4	Легені	0,12	11	Шкіра	0,01
5	Шлунок	0,12	12	Поверхня кістки	0,01
6	Сечовий міхур	0,05	13	Інші органи	0,05
7	Молочна залоза	0,05

Ефективна доза опромінення (Е) — сума добутків еквівалентних доз (Н_Т) в окремих органах і тканинах на відповідні тканинні зважувальні фактори (W_t). Одиниця вимірювання зіверт (Зв).

Ефективна доза дозволяє визначити імовірний сумарний ризик від опромінення різних ділянок тіла в різних поглинутих дозах. Значення ефективних доз підсумовується для кожної людини на протязі життя і ця сумарна величина приймається показником накопиченого ризику опромінення.

Колективна ефективна доза (S) — сума індивідуальних ефективних доз опромінення певної групи населення за певний проміжок часу або сума добутків середньогрупових ефективних доз на число осіб у відповідних групах, що утворюють колектив, для якого вона розраховується. Одиниця вимірювання — людино-зіверт (люд.-Зв).

Популяційна доза – сумарна ефективна доза опромінення населення країни від усіх джерел опромінення (одиниця вимірювання – Зіверт, Зв)

Потужність ефективної дози опромінення — ефективна доза в одиницю часу - 1 Зв/с; 0.01 Зв/с=1 бер/с.

Ефективний період напіврозпаду і напіввиведення радіонукліда (Теф.) — час, протягом якого кількість радіонукліда в організмі зменшується удвічі внаслідок його радіоактивного розпаду і біологічного виведення.

Методи дозиметрії.

Розрізняють фізичні, хімічні та біологічні методи дозиметрії: іонізаційний, сцинтиляційний (люмінесцентний), напівпровідниковий, термолюмінесцентний, нейтронно-активаційний, калориметричний, фотографічний, хімічний, біологічний та розрахунковий (математичний).

Іонізаційний метод дозиметрії здійснюється за допомогою іонізаційної камери і базується на оцінці ступеня іонізації середовища, через яке проходить випромінювання. Чим більша потужність дози, тим більше виникає іонів, тим більший іонізаційний струм. Вимірюючи величину іонізаційного струму одержують уявлення про потужність дози іонізуючого випромінювання. Схема будови і принцип роботи іонізаційного дозиметра наведені на мал..1.1.

Мал.1.1. Схема будови і принцип роботи іонізаційного дозиметра.

Е₁ и Е₂ — єлектороди;Б —батарея; ІВ- іонізуюче випромінювання; В — вікно в іонізаційній камері; Г — гальванометр.

Сцинтиляційний метод дозиметрії полягає у вимірах інтенсивності світлових спалахів, що виникають у речовинах, які мають властивості люмінесценції (йодид калію, натрію, цезію або антрацен, стильбен тощо) під час проходження через них рентгенівського або γ-випромінювання. Схема будови люмінесцентного дозиметра див. мал..1.2.

Мал.. 1.2. Схема будови люмінесцентного дозиметра.

Напівпровідниковий метод дозиметрії – під час опромінення в напівпровідникових детекторах виникає струм, за величиною якого можна визначити потужність дози випромі­нювання, що діє на детектор.

Термолюмінесцентний (фотолюмінесцентний, радіолюмінесцентний) метод базується на здатності кристалічних люмінофорів (наприклад літію фторид, активований сріблом) накопичувати поглинену енергію випромінювання. У разі додаткового нагрівання кристалів у певному режимі відбувається термолюмінесцентне "висвічування", інтенсив­ність якого залежить від дози опромінювання, котру поглинув люмінефор.

Нейтронно-активаційний метод — визначення наведеної радіоактивності внаслідок впливу потоків нейтронів.

Фотографічний метод дозиметрії базується на здатності випромінювань викликати фотоліз галоїдного срібла (див.вище), внаслідок чого відбувається його часткове відновлення. У процесі проявлення в місцях опромінення плівка темніє пропорційно дозі опромінення.

Хімічний метод — базується на здатності іонізуючих випромінювань викликати в хімічних сполуках дисоціацію багатоатомних молекул з утворенням нових хімічних сполук. При цьому змінюється прозорість або колір розчинів, випадає осад або виділяється газ. Кількісна оцінка цих змін дозволяє визначити дозу опромінення, якщо вимірювальна система проградуйована з використанням еталонного джерела випромінювань.

Калориметричний (тепловий) метод дозиметрії — базується на вимірюванні кількості тепла, що виділяється в детекторі при поглинанні іонізуючих випромінювань (мало використовують в медицині у зв'язку з його низькою чутливістю).

Розрахунковий (математичний) метод — передбачає використання таблиць і номограм для розрахунку індивідуальних поглинутих доз при різних варіантах опромінення людини.

Біологічні методи дозиметрії –базуються на дослідженні біоматеріалів (хромосомний аналіз лімфоцитів периферичної крові, пунктату кісткового мозку, електронний парамагнітний резонанс емалі зубів, екстрагованих за медичними показами) та урахуванні променевих реакцій організму. Даний метод дозиметрії використовується в клінічній практиці.

Типи приладів для вимірювання дози і радіоактивності.

1. Дозиметрии — індивідуальні (ТЛД, ДКГ – 21, АСІДК – 21 та ін.), пошукові (СРП 68 – 01, СРП 03Т, ДРГ 01Т, ДРГ – 3 01Т1), дозиметри контролю захисту (ДРГ 3 – 02 та ін.), лабораторні (РКС – 01, МКС – 0,5 та ін.) і клінічні (VJ – 18, VJ - 23). Їх використовують для визначення потужності доз.

2. Радіометри використовують для визначення активності у зразку, активності об’єктів зовнішнього середовища, рівнів радіоактивного забруднення поверхонь та in vitro діагностики.

Принцип будови радіометра

Лічильник Гейгера-Мюллера - підсилювач - лічильний блок - дисплей

Існують лабораторні радіометри (РУГ 91 „Адані” для визначення активності ¹³⁷Cs та ⁴⁰K, РУГ 91м „Адані” для визначення ²²⁶Ra та ²³⁷Th), колодязні радіометри, спектрометри (СЕГ – 01, СЕГ – 05, SNIP 204G), лічильники випромінювання людини (або спектрометри) — СВЛ (спектрометр випромінювання людини), СВТЛ (спектрометр випромінювання всього тіла людини) і клінічні радіометри (радіометри, радіографи, сканери, сцинтиляційні гама-камери, однофотонні емісійні комп’ютерні томографи – ОФЕКТ, позитронні емісійні томографи – ПЕТ).

Норми радіаційної безпеки України

(НРБУ – 97, НРБУ – 97/Д-2000)

Це — основні державні документи, що встановлюють гігієнічні норми протирадіаційного захисту людини.

Протирадіаційний захист населення ґрунтується на наступних принципах радіаційної безпеки:

• принцип виправданості — практична діяльність, яка супроводжується опроміненням людей, не повинна здійснюватися, якщо користь від неї не перевищує шкоду, яку вона завдає людині або суспільству;

• принцип неперевищення — рівні кумулятивних ефективних доз опромінення внаслідок промислової діяльності не повинні перевищувати встановленні ліміти доз (див. табл.1.3.);

• принцип оптимізації — індивідуальні дози та кількість опромінених осіб повинні бути настільки мінімальними, наскільки це може бути досягнуто з урахуванням соціальних і економічних факторів.

НРБУ – 97 встановлені наступні категорії осіб, які зазнають опромінення:

1. Категорія А (персонал) — особи, які безпосередньо працюють з джерелами іонізуючих випромінень.

2. Категорія Б (персонал) — особи, які безпосередньо не працюють з джерелами іонізуючих випромінень, але у зв'язку з розташуванням робочих місць в приміщеннях з радіаційно-ядерними технологіями можуть отримувати додаткове опромінення.

3. Категорія В — все населення країни.

Таблиця 1.3. Ліміти доз опромінення (мЗв/рік)

Ліміти доз	Категорія осіб, які зазнають опромінювання
	Аа)б)	Ба)	Ва)
лдЕ (ліміт ефективної дози)
Ліміти еквівалентної дози зовнішнього опромінення	20б)	2	1
ЛДlens (для кришталика ока)	150	15	15
ЛДskin ( для шкіри)	500	50	50
ЛДextrim (для кистей та стоп)	500	50	-

Примітка: а) розподіл дози опромінення протягом календарного року не регламентується;

б) для жінок репродуктивного віку (до 45 років) та вагітних жінок діють відповідні обмеження.

НРБУ - 97 включають 4 групи радіаційно-гігієнічних регламентованих величин.

Перша група регламентів встановлена для контролю за практичною діяльністю з метою обмеження професійного опромінення в умовах нормальної експлуатації індустріальних джерел іонізуючих випромінювань. Це — ліміти доз, похідні рівні, допустимі рівні (ДР) та контрольні рівні.

Числові значення лімітів доз (див. табл.. 1.3.) встановлені на рівнях, які виключають можливість виникнення детерміністичних ефектів опромінення від впливу суми ефективних доз усіх джерел випромінень.

Друга група регламентів встановлена з метою обмеження медичного опромінення людини в медичній практиці, до цієї групи входять рекомендовані граничні рівні. При проведенні рентгено- та радіонуклідних досліджень виділяють наступні категорії пацієнтів.

Категорія АД: хворі з онкологічними захворюваннями чи з підозрою на них; хворі, дослідження яких проводиться з метою диференційної діагностики вродженої серцево-судинної патології, в тому числі судинних периферійних мальформацій; хворі, яким проводять інтервенційні заходи; особи, досліджувані в ургентній практиці (у тому числі при травмах) за життєвими показами. Гранично допустима доза (ГДД) опромінення становить 100 мЗв/рік.

Категорія БД: хворі, дослідження яким проводять за клінічними показами при соматичних (неонкологічних) захворюваннях з метою уточнення діагнозу та (або) вибору тактики лікування. ГДД — 20 мЗв/рік.

Категорія ВД: особи із груп ризику, які працюють на підприємствах із шкідливими патогенними факторами та ті, яких приймають на роботу на зазначені підприємства і які проходять професійний відбір; хворі, зняті з обліку, після радикального лікування онкологічних захворювань при періодичних обстеженнях. ГДД — 2 мЗв/рік.

Категорія ГД: особи, яким проводять всі види профілактичного обстеження, за винятком таких, які віднесені до категорії ВД; особи, яким проводять обстеження у медичних програмах. ГДД — 1 мЗв/рік.

Третя група — регламенти щодо відвернутої внаслідок втручання дози опромінення населення в умовах радіаційної аварії. До цієї групи входять рівні втручання та рівні дії.

Четверта група — регламенти щодо відвернутої внаслідок втручання дози опромінення населення від техногенно підсилених джерел природного походження (джерела іонізуючого випромінювання природного походження, які в результаті господарської та виробничої діяльності людини були піддані концентруванню або збільшилась їхня доступність, внаслідок чого утворилось додаткове до природного радіаційного фону опромінення). До цієї групи входять рівні втручання і рівні дії.

ГДД в аварійних ситуаціях.

Коли аварійні роботи здійснюються для врятування життя людей, дози опромінення осіб аварійного персоналу не повинні перевищувати значень регламентованих НРБУ-97: еквівалентна доза будь-якого органу (разом з рівномірним опроміненням всього тіла) не повинна перевищувати 500 мЗв. Планове підвищення опромінення персоналу в дозах понад 100 мЗв допускається з дозволу МОЗ України – один раз протягом усієї трудової діяльності.