РБ 2.Основные источники ионизирующих излучений. Виды ионизирующих излучений и их свойства. Количественная оценка ионизирующих излучений

РБ 1.Предмет, цель, задачи и структура радиобиологии. Место радиобиологии в системе медицинской науки и практики. Вклад отечественных ученых в развитие радиобиологии.

Предмет радиобиологии составляют многообразные проявления действия излучений на всех уровнях организации живого — от молекулярного до организменного, а часто и популяционного, механизмы возникновения этих про­явлений, влияние на развитие конкретных биологических эффектов условий воздействия радиации (вида излучения, его дозы, мощности дозы, ее распре­деления в пространстве, продолжительности облучения), модифицирующие воздействия на эффекты облучения факторов нерадиационной природы.

Целью радиобиологических исследований являются познание закономерностей биологического действия ионизирующих излучений и обосно­вание таких важных прикладных аспектов, как:

• прогнозирование последствий радиационных воздействий;

• нормирование радиационных воздействий при работе с источни­ками ионизирующих излучений;

• разработка режимов поведения и защитных мероприятий при вынужденном пребывании в зонах воздействия ионизирующих излучений;

• разработка средств и методов профилактики радиационных по­ражений, диагностики и прогнозирования тяжести поражений, обоснование проведения при них неотложных мероприятий пер­вой помощи и последующего лечения;

• разработка наиболее рациональных режимов терапевтического облучения и др.

Многие достижения последних деся­тилетий в биохимии, молекулярной биологии, иммунологии, генетике, геронтологии, вообще в медицине стали возможны лишь благодаря тес­ным связям этих наук с радиобиологией. Это — и открытие механизмов ферментативной репарации ДНК, и выяснение и конкретизация наибо­лее ранних этапов развития кроветворных клеток, и раскрытие сложных межклеточных кооперативных взаимодействий в иммунном ответе, и изучение процессов физиологической регенерации, и исследования мно­гих других фундаментальных научных явлений.

В альянсе радиобиологии с другими дисциплинами оформились отде­льные самостоятельные направления, такие, как радиационная гигиена и радиационная экология, радиобиология опухолей, космическая радиобиология и др. Одно из таких направлений — военная радиобиология. Таким образом, сегодня радиобиологию справедливо относят к числу фундаментальных наук, и изучение ее полезно не только для ориентировки в проблемах медицинской противорадиационной защиты.

РБ 2.Основные источники ионизирующих излучений. Виды ионизирующих излучений и их свойства. Количественная оценка ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения (ИИ) получили свое название по свойству, отличающему их от большинства остальных излучений — способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.

Основные источники ионизирующих излучений

По происхождению источники ИИ подразделяются на естественные и искусственные. В промышленно развитых странах от естественных источников население получает около 2/3 суммарной дозы облучения. Медицинские процедуры (лучевая диагностика и лучевая терапия) обусловли­вают около трети этой дозы, а вклад в нее атомной энергетики, других мирных форм применения источников ИИ и испытаний ядерного оружия пренебрежимо мал.

Совокупность потоков ИИ, происходящих из естественных источни­ков, называется природным радиационным фоном Земли. Согласно со­временным представлениям, последний играет важную роль в качестве движущей силы изменчивости биологических видов, а также одного из факторов поддержания неспецифической резистентности организма.

Извне на организм воздействует в основном у-излучение, источником которого преимущественно являются радиоактивные вещества, присутствующие в земной коре. В каменных зданиях интенсивность внешнего у-облучения в несколько раз ниже, чем на открытой местности, что объяс­няется экранирующими свойствами конструкционных материалов. Используя специальные приемы экранирования, удается практически полностью устранить внешнее у-облучение организма. По мере увеличения высоты над поверхностью моря роль земных источников внешнего облучения уменьшается. При этом возрастает космическая составляющая природного радиационного фона.

Большинство естественных источников ИИ таковы, что избежать их излучения невозможно: это радиоактивные вещества, входящие в состав организма. Их вклад в суммарную дозу от естественных источников составляет около 2/3.

Искусственные (техногенные) источники ИИ включают в себя рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц, а также устройства, содержащие радионуклиды. Последняя группа подразделяется на откры­тые (имеющие непосредственный контакт с атмосферой) и закрытые (заключенные в герметичную оболочку) источники ИИ. Как правило, закрытые источники ИИ используют с целью внешнего лучевого воздейст­вия на объекты. Они являются конструктивными элементами у-терапев­тических установок, дефектоскопов, атомных реакторов, а также некото­рых дозиметрических и радиометрических приборов.

Источниками слабого рентгеновского излучения могут служить радиолампы и электронно-лучевые трубки, широко представленные в производственной и бытовой технике. Однако в штатных условиях эксплуатации интенсивность лучевого воздействия на человека со стороны этих устройств не выходит за основные дозовые пределы, регламентируемые нормами радиационной безопасности.

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от искусственных источников ИИ, в настоящее время вносят лечебные и диагностические процедуры. В экономически развитых странах дозы облучения населения с медицин­скими целями втрое выше, чем в мире в среднем.

Все ИИ по­дразделяются на электромагнитные и корпускулярные.

1.Электромагнитные ионизирующие излучения

В зависимости от источника электромагнитные ИИ подразделяются на тормозное, характеристическое и у-излучение. Тормозное излучение возникает при замедлении в электрическом поле (например, окружающем атомные ядра) ускоренных заряженных частиц. Характеристическое излучение обусловлено энергетическими перестройками внутренних электронных оболочек возбужденных атомов, а у-излучение является продук­том ядерных превращений радиоактивных элементов (радиоизотопов).

Совокупность тормозного и характеристического излучений называ­ют рентгеновским излучением (в англоязычной литературе чаше употреб­ляют термин «Х-излучение»). В земных условиях оно всегда имеет искус­ственное происхождение, в то время как у-излучение может иметь как искусственное, так и естественное происхождение. Наиболее важные свойства электромагнитных ИИ:

Ионизация веществ лежит в основе биоло­гической активности ИИ. Этот же феномен используется для их выявле­ния и количественной оценки (дозиметрии).

Взаимодействие электромагнитного ИИ с атомами вещества может протекать в формах фотоэффекта, комптон-эффекта и образования электрон-позитронных пар.

Фотоэффект — поглощение одной из внешних электронных оболо­чек атома всей энергии фотона с превращением ее в кинетическую энер­гию «выбитого» из атома электрона. Этот эффект преобладает при энер­гии фотонов до 0,05 МэВ.

Комптон-эффект — передача электрону лищь части энергии фотона; остальная энергия передается вторичному («рассеянному») фотону, кото­рый взаимодействует с атомами по механизму фотоэффекта или комп­тон-эффекта.

Образование электрон-позитронных пар при прохождении у-кванта в непосредственной близости от ядра атома — это основной вид взаимодействия фотонов с веществом при их энергии более 50 МэВ, его удается наблюдать лищь в лабораторных условиях.

Образующиеся при поглощении квантов электромагнитного излуче­ния ускоренные заряженные частицы (фотоэлектроны, комптоновские электроны) являются вторичным, но первостепенным по значимости фактором ионизации и возбуждения атомов в облучаемом веществе. Поэ­тому рентгеновы и у-лучи называют косвенно ионизирующими излучениями.

Энергия фотонов определяет не только их ионизирующую, но и проникающую способность. Высокоэнергетические («жесткие» — по определению В. К. Рентгена) электромагнитные излучения легко проникают вглубь тела человека и животных, вызывая ионизацию во всех клетках организма. Напротив, «мягкие» рентгеновы лучи, которые получают при напряжении на аноде рентгеновской трубки величиной в несколько кВ, задерживаются в основном кожей, не оказывая существенного прямого действия на глубоко лежащие ткани.

При прохождении электромагнитных ИИ через вещество интенсив­ность их потока уменьшается

К корпускулярным ИИ относят нейтроны и ускоренные заряженные час­тицы.

1)Нейтронное излучение возникает при бомбардировке атомного ядра ускоренной заряженной частицей или фотоном высокой энергии. Поми­мо лабораторных условий, такой путь реализуется при взрывах атомных боеприпасов, где источником этих частиц служат цепные реакции деле­ния ядер ²³⁵U или ²³⁹Рu. Другой путь образования нейтронов - синтез ядер легких элементов — дейтерия (₁D2), трития (₁Т³) и лития (3Li⁶), про­исходящий при взрывах термоядерных (водородных) боеприпасов.

Так как нейтроны не имеют заряда, они не оказывают непосредствен­ного влияния на электронную оболочку атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, нейтроны либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (участие в ядерных перестройках

Упругое рассеяние. При столкновении с ядрами углерода, азота, кисло­рода, фосфора нейтроны теряют 10—15% , а при столкновении с ядрами водорода — до 2/3 своей энергии. Потерянная нейтронами энергия пере­дается «ядрам отдачи» —положительно заряженным частицам, имеющим высокую ионизирующую способность. Упругое рассеяние — основной путь потери энергии нейтронами, возникающими при атомных и водо­родных взрывах.

Неупругое рассеяние. В этом случае часть энергии расходуется нейтронами на возбуждение (разновидность колебательного движения) ядермишеней. В исходное состояние ядра возвращаются испуская фотоны у-излучения.

Ядерные перестройки. При поглощении ядрами нейтронов происходит выброс протонов, а-частиц, у-квантов, возникают искусственные радиоактивные изотопы (это явление называется наведенной активностью).

Образующиеся при взаимодействии нейтронов с веществом ускорен­ные заряженные частицы — ядра отдачи — вносят основной вклад в иони­зацию и возбуждение атомов вещества. Поэтому нейтроны, так же как рентгеновы и у-лучи, называют косвенно ионизирующим излучением.

Проникающая способность нейтронов несколько меньше, чем у у-излучения, но существенно больше, чем у ускоренных заряженных частиц. При ядерных и водородных взрывах нейтронный поток распространяется на сотни метров, легко проникая сквозь стальную броню и железобетон. Энергия нейтронов наиболее эффективно передается ядрам легких ато­мов. Поэтому вещества, богатые атомами водорода, бериллия, углерода, находят применение в экранировании от нейтронного излучения. Тяже-

лые металлы, плохо задерживающие нейтроны, могут применяться для ослабления вторичного у-излучения, возникающего в легких материалах в результате неупругого рассеяния нейтронов и ядерных перестроек.

2)Ускоренные заряженные частицы — это перемещающиеся в простран­стве источники электрического поля (поток электронов — р-частиц, протонов, ядер атома гелия — а-частиц). Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются некоторые из природных ра­диоизотопов. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц.

При прохождении через вещество заряженные частицы могут взаимодействовать с его атомами.

Упругое рассеяние — изменение траектории заряженной частицы в результате отталкивания от атомных ядер без потери энергии. Чем меньше масса частицы, тем больше ее отклонение от прямого направления. Поэ­тому траектории р-частиц в веществе изломаны, а протонов и а-частиц — практически прямые.

Неупругое торможение. Электрон при прохождении вблизи атомного ядра теряет скорость и энергию. При этом может испускаться фотон тормозного излучения, летящий в том же направлении, что и электрон.

Ионизация и возбуждение атомов в результате взаимодействия частицы с их электронными оболочками — основной путь потери энергии уско­ренных заряженных частиц в веществе. Под действием их электрического поля происходит возмущение электронных оболочек атомов с переходом последних в возбужденное или ионизированное состояние. Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первич­но ионизирующие излучения.

Проникающая способность ускоренных заряженных частиц, как прави­ло, невелика. Она прямо пропорциональна энергии, массе и квадрату скорости частицы. Напротив, связь проникающей способности с абсо­лютной величиной заряда частиц является отрицательной. Пробег р-час­тиц в воздухе составляет десятки сантиметров, а а-частиц — миллиметры. Одежда надежно защищает человека от воздействия этих излучений изв­не. Однако поступление их источников внутрь организма является опас­ным, поскольку пробег а- или р-частиц в тканях превышает размеры кле­ток, что создает условия для воздействия излучения на чувствительные к нему субклеточные структуры.

Количественная оценка ионизирующих излучений.

Выявление ИИ и количественная оценка уровня радиационных воздейст­вий называется дозиметрией. Для количественной характеристики уровня лучевого воздействия введено понятие дозы излучения. Применяются три основных вида дозы — экспозиционная, поглощенная и эквивалентная.

Экспозиционная доза (X) — мера количества ИИ, физическим смыс­лом которой является суммарный заряд ионов одного знака, образую­щихся при облучении воздуха в его единичной массе:

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон, делен­ный на килограмм (Кл/кг). Более часто, однако, применяется внесистем­ная единица экспозиционной дозы — рентген (Р),

Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах, количественно различны. Это связано с разным количеством энергии, передаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных ве­ществ. Учесть этот фактор можно выражая количество ИИ в единицах поглощенной дозы (D). Физический смысл поглощенной дозы — количество энергии, передаваемой излучением единичной массе вещества:

В системе СИ поглощенную дозу выражают в феях (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. Часто пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы — рад (аббревиатура eradiation absorbed dose»). Рад равен сантигрею (1 рад = 10-² Гр).

Эквивалентная доза. Различные ИИ вызывают в биосистемах количественно различные эффекты даже при одинаковой поглощенной дозе. Это связано, главным образом, с такими характеристиками ИИ, как ЛПЭ и коэффициент ослабления. Для малоразмерных биологических объек­тов (например, для макромолекул, клеточных органелл и клеток) больше­му значению ЛПЭ воздействующего на них излучения соответствует большее число актов ионизации и возбуждения, возникающих в пределах конкретного биообъекта. Соответственно, большим оказывается и по­вреждающий эффект плотноионизирующих излучений в отношении кле­ток и субклеточных структур. Данное различие выражается величиной ОБЭ. Для рентгеновского и у-излучения ее принимают равной 1, а для каждого из остальных ИИ значение ОБЭ рассчитывают как отношение равноэффективных поглощенных доз рентгеновского и рассматриваемо­го ИИ.

Приборы, предназначенные для измерения дозы облучения объекта внешним источником, называются измерителями дозы (дозиметрами).

Мощность дозы излучения (уровень радиации). Этот показатель характеризует интенсивность лучевого воздействия. Мощность дозы понимают как дозу (экспозиционную, поглощенную или эквивалентную), регист­рируемую за единицу времени. В системе СИ мощность экспозиционной дозы выражают в Кл/(кг•с), т. е. А/кг. Весьма часто пользуются внесис­темной единицей мощности дозы — Р/ч

В зависимости от величины мощности дозы различают кратковремен­ное, пролонгированное и хроническое облучение. Кратковременным облуче­ние считается при мощности дозы свыше 0,02 Гр/мин. Непрерывное радиационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет называют хроническим, а пролонгированное облучение занимает промежуточное положение между первыми двумя. В случае облучения организма челове­ка, если не менее 80% всей дозы регистрируются не более чем за 4 сут, облучение называется однократным.

В зависимости от распределения дозы во времени различают непре­рывное и фракционированное облучение. Если доза ИИ разделена на части (фракции), чередующиеся с интервалами времени, в течение которых облучения не происходит, облучение называют фракционированным. Если эти интервалы меньше суток, то по результатам действия на человека фракционированное облучение приближается к непрерывному.

Значение мощности дозы излучения состоит в том, что при равной дозе облучения радиобиологические эффекты выражены тем сильнее, чем больше мощность дозы излучения.

Приборы, предназначенные для измерения мощности дозы облуче­ния объекта из внешнего источника, называются измерителями мощности дозы (рентгенметрами).