Квантовое ионизирующее излучение

Кафедра онкологии, лучевой терапии и лучевой диагностики

Зав. кафедрой: проф., д.м.н. Редькин Александр Николаевич

Преподаватель: к.м.н. Черкасова Ирина Ивановна

Реферат на тему: «Физика ионизирующих излучений»

Выполнила: Васильченко Марина Геннадьевна

Излучения, используемые в медицинской радиологии, делят на 2 группы:

1) Ионизирующие излучения

2) Неионизирующие излучения, к которым относятся радиоволны, инфракрасное излучение, а также ультразвуковые волны в диапазоне 1-15 Мгц.

Ионизирующие излучения - это электромагнитные излучения, кото­рые создаются при ионизации атомов, их радиоактивном распаде, формируя при взаимодействии со средой ионы различных знаков.

Ионизирующие излучения условно делят на 2 группы:

1) Корпускулярные

2) Фотонные (квантовые)

Корпускулярное ионизирующее излучение

Данное излучение представляет собой потоки элементарных частиц:

α – частицы, β – частицы (электроны, позитроны), протоны, нейтроны, мезоны и др. Они обладают зарядом, массой и энергией в отличие от фотонов.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер атома гелия, имеет массу 4 у.е. и заряд +2. Энергия альфа-частиц составляет 4—7 Мэв. Пробег альфа-частиц в воздухе достигает 8—10 см, в биологи­ческой ткани 50-70 микрометров (мк). Так как пробег аль­фа-частиц в веществе невелик, а энергия очень большая, то плотность ионизации на единицу длины пробега у них очень высока (на 1 см до де­сятка тысяч пар-ионов).

Бета-излучение — поток электронов или позитронов при радиоактив­ном распаде. Бета-частицы имеют массу, равную 1/1838 массы атома во­дорода, единичный отрицательный (бета-частица) или положительный (позитрон) заряды. Энергия бета-излучения не превышает нескольких Мэв. Пробег в воздухе составляет от 0,5 до 2 м, в тканях — 1— 2 см. Их ионизирующая способность ниже альфа-частиц (несколько де­сятков пар-ионов на 1 см пути).

Нейтроны — нейтральные частицы, имеющие массу атома водорода. Они при взаимодействии с веществом теряют свою энергию в упругих и неупругих столкновени­ях.

При взаимодействии корпускулярных излучений с веществом элементарные частицы передают свою энергию атомам тканей, вызывая их ионизацию и распад на противоположные заряженные частицы (ионы).

Протоны и α – частицы, имея большую массу, заряд и энергию, движутся в тканях прямолинейно и образуют густые скопления ионов.

Электрон, имея небольшую массу, проходит в тканях извилистый путь и изменяет направление движения под действием электрических полей атомов.

В зависимости от массы ядер и энергии нейтронов, последние делятся на быстрые и медленные. Быстрые нейтроны теряют энергию в результате столкновения с ядрами водорода или выталкивают протоны. Медленные и тепловые захватываются атомами легких элементов, таких как натрий, фосфор, хлор, и они становятся радиоактивными (так называемая наведенная радиоактивность).

Квантовое ионизирующее излучение

Представляет собой электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, частиц, не имеющих массы и заряда, но обладающих большой энергией и движущихся со скоростью света.

К квантовому ионизирующему излучению относят:

- γ- излучение

-рентгеновское излучение (тормозное; характеристическое)

γ-излучение - фотонное излучение, возникающее при измене­нии энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращени­ях или при аннигиляции частиц. Обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность γ -излучения значительно меньше, чем у α- и β -частиц. γ -излучение обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах.

Рентгеновское излучение— фотонное излучение, состоящее из тор­мозного и (или) характеристического излучения, возникает в рентге­новских трубах, ускорителях электронов, с энергией фотонов не более 1 Мэв. Занимает область электромагнитного спектра между гамма- и ультрафиолетовым излучениями и представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 10^-14 до 10^-7 м.

А) Тормозное излучение — фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц.

Б) Характеристическое излучение — это фо­тонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении электронами энергетических уровней.

Рентгено­вское излучение, так же как и гамма-излучение, имеет высокую проника­ющую способность и малую плотность ионизации среды.

Основные свойства рентгеновских лучей

• Невидимость - чувствительные клетки сетчатки глаза человека не реа­гируют на рентгеновские лучи, так как длина их волны в тысячи раз меньше, чем у видимого света;

• Прямолинейное распространение – лучи преломляются, поляризуются (распространяются в определенной плоскости) и дифрагируют, как и видимый свет. Коэффициент преломления очень мало отличается от единицы;

• Фотографическое действие - разлагают галоидные соеди­нения серебра, в том числе находящиеся в фотоэмульсиях, что позволяет полу­чать рентгеновские снимки;

• Проникающая способность, на которой и основана рентгенодиагностика, зависит от плотности тканей. Так, костная ткань обладает наибольшей плотностью, а значит, и поглощающей способностью, поэтому при рентгенологическом исследовании даёт затемнение высокой интенсивности. Паренхиматозные органы также выглядят в виде затемнения, но они в 2 раза меньше задерживают рентгеновские лучи, и затемнение имеет среднюю интенсивность. Воздух не задерживает лучи и создаёт просветление, как, например, лёгочная ткань, которая представлена альвеолами, заполненными воздухом.

• Люминесцирующее действие - вызывают люминесценцию ряда химических соединений (люминофоров), на этом осно­вана методика рентгеновского просвечивания. Интенсивность свечения зависит от строения флюоресцирующего вещества, его количества и расстояния от источника рентгеновского излучения. Люминофоры используют не только для получения изображения исследуемых объектов на рентгеноскопическом экране, но и при рентгенографии, где они позволяют увеличить лучевое воздействие на рентгенографическую пленку в кассете благодаря примене­нию усиливающих экранов, поверхностный слой которых выполнен из флюо­ресцирующих веществ;

• Ионизирующее свойство заключается в том, что под действием рентгеновских лучей в любой среде, через которую они проходят, образуются ионы, по количеству которых судят о дозе излучения. На этом свойстве основан метод дозиметрии - измерение дозы с помощью различных видов специальных приборов - дозиметров. Дозиметрию осуществляют специальные ведомственные службы.

• Биологическое или повреждающее действие на организм человека ионизирующих излучений вызывает необходимость защиты от него как персонала рентгеновских кабинетов, так и пациентов при осуществлении методов рентгенодиагностики. В то же время это свойство используют в лучевой терапии для лечения как опухолевых, так и неопухолевых заболеваний.

• Закон обратных квадратов - для точечного источника рентгеновского излучения интенсивность убывает пропорционально квадра­ту расстояния до источника.

Типы взаимодействия фотонов с атомами среды:

А) Фотоэффект (при низких энергиях фотонов) – фотон вырывает электроны из атома, отдавая ему свою энергию.

Б) Комптоновское неупругое рассеяние электронов на атомах (с энергией до 1 МэВ) – как сам фотон, так и образуемые им электроны отдачи также вызывают ионизацию вещества. Фотон выбивает электрон, отдавая часть энергии и меняет свое направление. Эти оба эффекта обусловливают максимум поглощения энергии в поверхностном слое тканей (до 0,5 см), здесь образуется наибольшее количество вторичных электронов.

В) Образование пар элементарных частиц (при энергии больше 1 МэВ) – вызывает максимум актов ионизации в глубине тканей. Образуются электронно-позитронные пары. Сам фотон исчезает. Позитрон быстро теряет энергию и объединяется со встречным электроном. После чего обе частицы исчезают (аннигиляция) и вместо них возникают 2 фотона, которые расходятся в противоположные стороны. Их энергия в 2 раза меньше исходного фотона.

Единицы доз излучения

Поглощенная доза

Поглощенная доза (D) - величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея.

1 Гр - это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10^-2 Гр).

Эквивалентная доза

Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излучения характеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр - коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной дозе.

Коэффициент качества - безразмерная величина. Его значения для некоторых видов излучения приведены в табл. 34.1.

Таблица 34.1.Значения коэффициента качества

Эквивалентная доза (Н) равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения:

В СИ единица эквивалентной дозы называется зивертом (Зв) - в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта. Наряду с зивертом используется и внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр = 10^-2 Зв.

Если организм подвергается действию нескольких видов излучения, то их эквивалентные дозы (Н_i) суммируются:

Эффективная доза

При общем однократном облучении организма разные органы и ткани обладают различной чувствительностью к действию радиации. Так, при одинаковой эквивалентной дозе риск генетических повреждений наиболее вероятен при облучении репродуктивных органов. Риск возникновения рака легких при воздействии α-излучения радона в равных условиях облучения выше, чем риск возникновения рака кожи и т.д. Поэтому понятно, что дозы облучения отдельных элементов живых систем следует рассчитывать с учетом их радиочувствительности. Для этого используются весовые коэффициенты b_T (Т - индекс органа или ткани), приведенные в табл. 34.2.

Таблица 34.2.Значения весовых коэффициентов органов и тканей при расчете эффективной дозы

Окончание табл. 34.2

Эффективная доза (Н_эф) - это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека с учетом радиочувствительности отдельных его органов и тканей.

Эффективная доза равна сумме произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие им весовые коэффициенты:

Суммирование ведется по всем тканям, перечисленным в табл. 34.2. Эффективные дозы, как и эквивалентные, измеряются в бэрах и зивертах.

Экспозиционная доза

Поглощенная и связанная с ней эквивалентная дозы облучения характеризуют энергетическое действие радиоактивного излучения. В качестве характеристики ионизирующего действия излучения используют другую величину, называемую экспозиционной дозой. Экспозиционная доза является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами.

Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон - это очень большой заряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р), 1 Р = 2,58х10^-4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08х10⁹ пар ионов.

Связь между поглощенной и экспозиционной дозами выражается соотношением

где f - некоторый переводной коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и длины волны излучения. Кроме того, величина f зависит от используемых единиц доз. Значения f для единиц рад и рентген приведены в табл. 34.3.

Таблица 34.3.Значения переводного коэффициента из рентген в рад

В мягких тканях f ≈ 1, поэтому поглощенная доза излучения в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Это обусловливает удобство использования внесистемных единиц рад и Р.

Соотношения между различными дозамивыражаются следующими формулами:

Мощность дозы (N) - величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени.При равномерном действии излучения мощность дозы равна отношению дозы ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение.