Виды ионизирующих излучений

1. Корпускулярные

2. Электромагнитные (фотонные).

Корпускулярное излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц:

· заряженных (альфа-, бета-частиц, протонов и т.д.)

· незаряженных (нейтроны)

Электромагнитное (фотонное) - включает гамма- и рентгеновское излучение.

Любое ионизирующее излучение характеризуется энергией E, измеряемой в электронвольтах (эВ). Электронвольт - энергия, которую приобретает электрон при ускорении в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Для характеристики ионизирующих излучений используются производные величины - килоэлектронвольт (КэВ, 1 КэВ = 103эВ), мегаэлектронвольт (1 МэВ = 106эВ).

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), состоящих из 2-х протонов и 2-х нейтронов и имеющих атомную массу 4 и заряд +2. Основной источник гамма-излучения - радиоактивный альфа-распад. Известно более 200 альфа-излучателей, большинство из них - естественные радионуклиды семейства урана, радия и тория.

Диапазон энергий для альфа-частиц составляет от 4 до 9 МэВ, альфа-излучение, как правило, сопровождается излучением гамма-квантов с энергией от 0,036 до 2,76 МэВ.

При взаимодействии альфа-частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды. Альфа-излучение характеризуется высокой линейной плотностью ионизации (ЛПИ) и линейной передачей энергии (ЛПЭ). ЛПИ - это число пар ионов, образующихся на единице длины пробега частиц (пар ионов/мкм). ЛПЭ - количество энергии, переданной веществу заряженной частицей на единице длины ее пробега (КэВ/мкм). Ионизирующее излучение, у которого ЛПЭ менее 10 КэВ/мкм, относится к редкоионизирующим, а более 10 КэВ/мкм – к плотноионизирующим излучениям. В среднем ЛПЭ для альфа-частиц в биологических тканях составляет 100 КэВ/мкм, что значительно выше, чем для других заряженных частиц. Поэтому альфа-излучение относится к плотноионизирующим и альфа-частица имеет незначительную проникающую способность: в воздухе - до 3 см, в мышечной ткани, воде - около 50 мкм, в костной ткани, алюминии - около. 17 мкм. Внешнее облучение альфа-частицами не представляет опасности, поскольку последние не проникают глубже отмирающих слоев кожного эпителия. Очень опасно внутреннее альфа-облучение при инкорпорировании радионуклидов. Защита при работе с альфа-излучателями должна быть направлена на исключение любой потенциальной возможности попадания радиоактивных веществ в организм с вдыхаемым воздухом, пищей и водой.

В отличие от альфа-излучающих радионуклидов, бета-излучатели рассеяны по всей таблице Менделеева, начиная от водорода и до трансурановых элементов. Средняя энергия бета-частиц ≤ 3 МэВ. При прохождении бета-частиц через вещество имеют место упругие и неупругие взаимодействия с атомами среды. Упругие взаимодействия заключаются в том, что сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц после взаимодействия остается неизменной. При неупругом взаимодействии часть энергии взаимодействующих частиц передается образовавшимся свободным частицам или квантам (неупругое рассеивание, ионизация и возбуждение атомов, возбуждение ядер, тормозное излучение). По радиобиологическим характеристикам бета-излучение относится к редкоионизирующим, удельная плотность ионизации примерно в 1000 раз меньше, чем у альфа-излучения. Несмотря на это, внешнее облучение бета-частицами представляет опасность для человека. Критические органы - кожа и хрусталик глаза. Пробег бета-частиц в воздухе - до 11 м, в мышечной ткани, воде - около 17 мм, в костной ткани, алюминии - 5,5 мм. При взаимодействии бета-излучения с веществом возникает тормозное электромагнитное излучение. Выход его пропорционален атомному номеру и плотности вещества, поэтому для защиты используют вещества с малым атомным номером - алюминий, органическое стекло, воду. При высокой активности бета-источника тормозное излучение может быть настолько интенсивным, что требуется защита и от него, т.е. к легкому материалу защиты от бета-излучения необходимо добавить еще один слой из тяжелых материалов, например, свинца.

Рентгеновское и гамма-излучения относятся к электромагнитным. Рентгеновское представляет собой совокупность характеристического и тормозного излучений (характеристическое излучение испускается при изменении энергетического состояния атома, тормозное - при изменении кинетической энергии заряженных частиц). Возникает в защите источников бета-излучения, рентгеновских трубках, ускорителях электронов и т.д.

R-излучение получают в рентгеновской трубке при торможении электронов. Катод с нитью накала испускает электроны, которые ускоряясь в электрическом поле, тормозятся на аноде. При торможении происходит преобразование энергии, причем 98-99/2009% ее переходит в тепловую (нагрев анода), а 1-2% преобразуется в тормозное излучение (в данном случае - рентгеновское). Мощность дозы тормозного R-излучения зависит от:

· силы тока

· материала анода (атомного номера)

· напряжения на трубке

Источниками R-излучения являются все электровакуумные приборы высоких напряжений, телевизионные трубки, мониторы, усилительные лампы, приборы СВЧ-диапазона, электронно-лучевые установки для резки и сварки металлов в вакууме (неиспользуемое R-излучение), а также ускорительные устройства, работающие на тормозный пучок, микротроны, линейные ускорители и, конечно, рентгеновские трубки (используемое R-излучение).

Гамма-излучение испускается при ядерных превращениях:

· радиоактивном распаде (бета- и альфа-распады);

· аннигиляции электронов и позитронов;

· делении ядер - при этом осколки находятся в возбужденном состоянии, следствием чего является испускание гамма-квантов;

· взаимодействии нейтронов с веществом.

Принципы взаимодействия рентгеновского и гамма-излучений с веществом идентичны. Эти излучения называют косвенноионизирующими, т.к. процесс ионизации опосредован через ряд первичных эффектов, основными из которых являются:

1. Фотоэффект - вместо фотона после его взаимодействия с веществом излучается электрон (при низкой энергии (1 – 500 КэВ) кванта). Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона. Свободный электрон, ассоциируясь с нейтральным атомом, порождает отрицательный ион.

Рис. 2. Схема фотоэффекта

Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения. Его вклад во взаимодействие пропорционален Z ядер атомов (~Z³).

2. С повышением энер­гии излучения вероятность фотоэффекта очень быстро уменьшается, и для излучений с энергией около 1 МэВ, его вкладом во взаимодействие можно пренебречь; главную роль при этом играет другой способ размена энергии — эффект Комптона.

Комптоновский эффект – энергия кванта частично поглощаются веществом, в результате образуется электрон и рассеянное излучение, энергия которого всегда меньше энергии первичного излучения. При этом эффекте происходит рассеяние падающего фотона излучения электроном атома, которому передается лишь часть энергии фотона.

Рис. 3. Схема Комптон-эффекта

Так как направление движения фотона отличается от первоначального, то говорят о рассеянии фотона на электроне. В дальнейшем фотон может вновь претерпевать Комптон-эффект и т. д.

Поэтому в отличие от фотоэлектронов энергия электронов отдачи, образующихся при эффекте Комптона, изменяется в широких пределах (от нуля до некоторого максимального значения). Средняя их энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения. Доля энергии, поглощенной комптоновскими электронами, в общем количестве поглощенной энергии увеличивается с жесткостью излучения.

3. Наконец, третий вид взаимодействия излучения с веществом - эффект образования заряженных пар - характеризуется возможностью превращения γ-кванта большой энергии (>1,02 Мэв) в пару частиц - электрон и позитрон. Энергия гамма-кванта преобразуется в энергию заряженных частиц - электрона и позитрона (при большой энергии гамма-кванта). Этот процесс вызывается столкновением γ-кванта с какой-либо заряженной частицей, например атомным ядром, в поле которой и образуется электронно-позитронная пара. Относительный вклад этого вида взаимодействия изменяется пропорционально Z³ и поэтому для тяжелых элементов он больше, чем для легких.

Рис. 4. Схема образования электронно-позитронных пар

Следовательно, в зависимости от энергии падающего излучения преобладает тот или иной вид его взаимодействия с веществом. В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия используемого электромагнитного излучения находится в диапазоне 0,2—2 МэВ, поэтому наибольшей вероятностью обладает Комптон-эффект.

По радиобиологической характеристике R и гамма-излучения относятся к редкоионизирующим. Это проникающие излучения, имеют большие значения длины свободного пробега, который зависит от энергии излучения (в воздухе - до несколько км, в теле человека ослабляется в 3-4 раза). Средняя длина их пробега в веществе зависит также от его плотности. Она минимальна в материалах, подобных свинцу, используемых обычно в качестве защитных экранов. Защита от проникающего излучения основана на использовании материалов, содержащих тяжелые элементы - свинец, обедненный уран. Для стационарной защиты применяется монолитный гидратированный бетон, в рентгеновских кабинетах - баритовая штукатурка.

ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Доза есть количественная характеристика излучения, и определяется энергией, поглощенной веществом.

Поглощенная доза - фундаментальная дозиметрическая величина - есть количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела. В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название - Грей (Гр), производные единицы – миллигрей (мГр), микрогрей (мкГр). Использовавшаяся ранее внесистемная единица «рад» равна 0,01 Гр.

D = de/dm,

где de - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, a dm - масса вещества в этом объеме.

Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе разные виды излучения вызывают разный биологический эффект.

Поэтому введено понятие эквивалентная доза - это поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма (взвешивающий коэффициент)

H_T,R = D_T,R × W_R

где D_T,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, a W_R- взвешивающий коэффициент для излучения R.

При воздействии различных видов излучений с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз этих излучений:

H_T = ∑ H_T,R

Единицей измерения эквивалентной дозы является Зиверт (Зв), производные единицы – миллизиверт (мЗв), микрозиверт (мкЗв). Специальная (внесистемная) единица – Бэр, которая равна 0,01 Зв.

Взвешивающий коэффициент выступает как регламентированное значение относительной биологической эффективности (ОБЭ). ОБЭ определяется отношением дозы рентгеновского излучения к дозе любого другого вида излучения, вызывающей тот же биологический эффект. Например, гибель культуры клеток в эксперименте вызывают 10 Гр рентгеновского излучения и 0,5 Гр альфа-излучения. Значит, ОБЭ = D_R/D_α = 10/0,5 = 20. Таким образом ОБЭ = 20 означает, что биологический эффект при воздействии альфа-излучения в 20 раз выше, чем рентгеновского излучения. Относительная биологическая эффективность находится в прямой зависимости от линейной передачи энергии (ЛПЭ). При воздействии ионизирующего излучения на организм человека следует учитывать и другие факторы, например, равномерность или неравномерность облучения, распределение дозы во времени, пол, возраст, соматическое состояние и т.д. Концепция ОБЭ, таким образом, применима только в радиобиологии. Для нормирования же в радиационной гигиене используется взвешивающий коэффициент (W_R). Значения взвешивающих коэффициентов составляют 1 (для фотонов и электронов), 20 (для альфа-частиц и тяжелых ядер отдачи), от 5 до 20 для нейтронов в зависимости от их энергии.

Эффективная доза (E) - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе (H) на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани:

E =∑H_T × W_T ,

где E- эффективная доза; H_T- эквивалентная доза в ткани Т; W_T- взвешивающий коэффициент для ткани Т.

Единица измерения эффективной дозы - Зиверт (Зв).

Нормами радиационной безопасности (НРБ 99/2009) также определены понятия «доза на орган», «доза эквивалентная или эффективная ожидаемая», «доза эффективная коллективная». Доза эффективная коллективная - мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения; она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел.-Зв).

МОЩНОСТЬ ДОЗЫ - отношение приращения дозы (поглощенной, эквивалентной, эффективной) dD, dH, dE за интервал времени dt к этому интервалу времени: D=dD/dt (Гр/сек), H=dH/dt (Зв/сек), E=dE/dt (Зв/сек). На практике за единицу времени могут приниматься час, минута. В литературе и практике дозиметрического контроля продолжают широко использоваться также такие понятия, как экспозиционная доза и мощность экспозиционной дозы.

ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА (X) определяется электрическим зарядом ионов разного знака, возникающих при ионизации в 1 кг сухого воздуха. Используется только для регистрации и оценки дозы рентгеновского и гамма-излучений в воздухе. Единицы измерения в системе СИ - кулон на килограмм (Кл/кг), внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р), производные – миллирентген (мР), микрорентген (мкР).

1Р = 2,58 × 10^-4 Кл/кг

Экспозиционная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью экспозиционной дозы и измеряется в амперах на кг (А/кг – системная единица), внесистемные единицы - Р/час, мР/час, мкР/час, мкР/сек и т.д. Зависимость между поглощенной дозой (D) и экспозиционной дозой (X) выражается формулой:

X = f×D ,

где f - коэффициент, зависящий от плотности среды. Для воздуха f=0,88, для мышечной ткани, воды -0,95, для костной ткани - 3-4, жировой - 0,5-0,6. Таким образом, в целом для организма человека коэффициент f приблизительно равен 1, следовательно, экспозиционная доза равна поглощенной (как и мощности доз), а 1 рентген равен 0,01 Гр.