Глава 1. Взаимодействие ионизирующих излучений с биообъектами. Понятие о радиобиологии.

Глава 1. Взаимодействие ионизирующих излучений с биообъектами.
Понятие о радиобиологии.
§1. Виды ионизирующего излучения и его источники.
п.1. Классификация ионизирующих излучений (ИИ)
Излучения делятся на 2 класса: 1) ионизирующие, 2) неионизирующие.
Ионизирующим
называется
излучение
(ИИ),
которое
способно
вырывать электроны из нейтральных молекул и, тем самым, превращать их в
ионы. В случае, когда излучение в квантовом представлении состоит из
частиц с нулевой массой покоя (наиболее характерный пример – фотоны
высоких энергий), говорят о потоке рентгеновских или γ-квантов, либо о
синхротронном излучении (первый тип ИИ). Если же масса покоя не равна
нулю, то излучение представляют как поток заряженных или нейтральных
частиц (подчёркивая его корпускулярный характер) (второй тип ИИ). В
любом из этих случаев ионизирующим излучение является тогда, когда
энергия кванта превосходит энергию связи частиц среды.
ИИ испускается радиоактивными веществами:  и -частицы, излучение и тормозное излучение, нейтроны.
п.2. Проникающая и ионизирующая способность
различных видов ИИ.
Дадим краткую характеристику некоторым видам излучения [1, 3].
-частицы
–
большая
ионизирующая
и
малая
проникающая
способность (задерживается слоем воды до 150 мкм). Для -частицы с
энергией 10 МэВ пробег в биоткани составляет 130 мкм, полная ионизация
дает 2.9·105 пар ионов. При взаимодействии -частицы с веществом
происходит неупругое столкновение с орбитальными электронами атомов
среды. Энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.
-излучение – быстрые электроны. Могут проникать через базальный
слой кожи (номинальный защитный слой 0.07 мм). Частицы с энергией 10
МэВ проникают в мягкую биоткань на 4.29 см. Ионизирующая способность
меньше, чем -частиц. При этом имеет место упругое и неупругое
взаимодействие с атомами. При упругом взаимодействии суммарная
кинетическая энергия до и после взаимодействия не меняется. При
неупругом – часть энергии передается образовавшимся свободным частицам
или квантам (неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов,
возбуждение ядер, тормозное излучение (при прохождении электрона рядом
с положительно заряженным ядром он резко тормозится, потерянная при
этом энергия излучается в виде рентгеновского излучения)).
Нейтроны – обладают большой проникающей способностью. Вместе с
фотонами являются косвенно ионизирующими частицами; ионизация среды
в поле нейтронного излучения производится вторичными заряженными
частицами, возникающими при взаимодействии нейтронов с веществом.
Протоны с энергией 10 МэВ имеют пробег в биоткани 1211 мкм, при
этом возникает полная ионизация биоткани с возникновением 63214 пар
ионов.
Рентгеновское и -излучение – электромагнитное излучение высокой
энергии, обладает большой проникающей способностью. Ионизирующая
способность значительно меньше, чем  и  - излучения. Фотонное
излучение (рентген,  - излучение и т.п.) ослабляется в результате
взаимодействия с атомами и электронами среды. Часть энергии фотонов
преобразуется в энергию вторичных заряженных частиц (электронов и
позитронов),
часть
–
в
энергию
вторичного
фотонного
излучения
(характеристического, рассеянного). Образовавшиеся при этом электроны
ионизируют среду.
п.3. Естественные и искусственные источники ИИ.
Радиационный фон Земли образуют:
Космическое излучение – галактическое и солнечное, связанное с
1.
солнечными вспышками. ;
2. Излучение естественных радионуклидов: 40К, 238U, 232Th, продукты распада
урана и тория и др.;
3. Излучения
искусственных
радионуклидов,
образовавшихся
при
испытаниях ядерного оружия, при удалении радиоактивных отходов
предприятиями атомной промышленности, ядерного топливного цикла,
предприятиями,
работающими
с
радиоактивными
веществами
и
использующими их в медицине, науке, технике или сельском хозяйстве.
Вклад радиационных источников в общий естественный фон Земли
составляет для
220
Rn и
222
Rn - 50%,
K – 15%, космических лучей - 15%,
40
нуклидов ряда урана -20%.
Технологически
измененный
естественный
радиационный
фон
образуется при сжигании каменного угля, промышленном использовании
фосфатных
руд
авиатранспорте
(удобрений),
и
в
строительных
космическое
материалов,
пространство;
электростанций, предметов широкого потребления:
3
Н
(тритий)
используются
для
светосоставов
226
Rа,
полетах
на
геотермических
147
Рm (прометий),
постоянного
действия
(например, часы со светящимся циферблатом); цветные телевизоры;
электронные и электрические устройства, содержащие радионуклиды или
излучающие РИ (например, дроссели флуоресцентных светильников);
радионуклид 210Ро, используется для снятия статического заряда в некоторых
производствах; пожарные дымовые детекторы, содержащие
241
226
Rа,
238
Рu и
Аm (америций); керамическая и стеклянная посуда, содержащая уран и
торий и др. [1, 17, 18].
п.4. Виды рентгеновского излучения (РИ). Синхротронное излучение.
Рентгеновское излучение (РИ) – излучение с   [10-3 – 10] нм. По
способу возбуждения делится на тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение представляет собой обратный фотоэффект:
рентгеновские кванты получаются за счет кинетической энергии электронов,
бомбардирующих металл (рис.1.1). Уравнение eU = h определяет
максимальную частоту, с которой могут испускаться рентгеновские лучи
антикатодом при заданном напряжении U на трубке. При бомбардировке
антикатода
электроны
тормозятся,
из-за
чего
возникает
тормозное
рентгеновское излучение. Спектр излучения является сплошным из-за
случайного характера переходов с уровня на уровень электронов атомов
антикатода, как и спектр белого света (рис.1.2). Поэтому часто сплошное РИ
называется
энергия
белым.
электронов
выделяется
в
виде
Почти
при
вся
этом
тепла.
В
излучение преобразуется 1-3% от
общей энергии.
На
рис.1.2
коротковолновая
min
–
граница
сплошного РИ. min = hc/eU =
=(12,40/U) ,.где [U] = кВ. min не зависит от материала катода, определяется
только напряжением на трубке и объясняется квантовой природой излучения.
Поток РИ вычисляется как Ф=kIU2Z, где U и I -напряжение и сила тока
в рентгеновской трубке, Z – порядковый номер атома вещества анода; k – 10-9
В-1 – коэффициент пропорциональности.
1 2
Å
min
рис.1.2.
рис.1.3
Если повышать напряжение выше определенного уровня, зависящего
от материала анода, то на сплошное РИ накладываются узкие спектральные
линии, составляющие характеристическое излучение анода (рис.1.3). Спектр
такого излучения линейчатый. Длина волны линий зависит только от
материала анода. При этом ускоренные электроны проникают вглубь атомов
и выбивают внутренние электроны. На свободные места переходят
электроны
с
внешних
слоев
с
излучением
кванта
h.
Частота
характеристического излучения определяется правилом частот Бора  =(Е1 –
Е2)/h. Электронная бомбардировка возбуждает как сплошное, так и
характеристическое излучение, тогда как бомбардировка  - частицами или
протонами возбуждает только характеристическое излучение, поскольку
электронные оболочки для таких высокоэнергетичных частиц практически
«прозрачны».
На рис.1.3 показаны экспериментальные кривые. Для молибдена
1=0.063 нм, 2=0.071 нм. Для хрома также возбуждается характеристическое
излучение, но в более длинноволновой области. Для вольфрама напряжения
35 кВ недостаточно для возбуждения характеристического излучения.
Коротковолновое рентгеновское излучение, т.е. излучение с большей
энергией, обычно обладает большей проникающей способностью, чем
длинноволновое, и называется жёстким, а длинноволновое – мягким.
Синхротронное излучение - электромагнитное излучение ускоренных
электронов, движущихся с релятивистскими скоростями в магнитном поле
(рис.1.4).
В
электронов
синхротроне
по
круговой
период
орбите
обращения
практически
постоянен, что имеет место при энергии электронов,
превышающей 10 МэВ. Поскольку это условие
требует
предварительного
ускорения
электронов,
синхротрон работает либо в комбинации с другим
ускорителем
(бетатроном),
который
обеспечивает
инжекцию
ультрарелятивистских частиц в камеру синхротрона, либо в изменяющемся
по мере разгона электронов режиме (сначала – как бетатрон, ускоряющий
электроны вихревым электрическим полем, возникающим при нарастании
аксиально-симметричного
магнитного
поля
во
времени,
затем,
при
достижении ультрарелятивистского состояния электронов, реализуемого при
энергиях порядка 10 МэВ, - переход на режим синхротрона, при котором
магнитное поле создается не в середине ускоряющего кольца, а только вдоль
него. В этом режиме, в отличие от бетатронного, ускорение электронов
происходит за счет электрического поля с постоянной частотой, а магнитное
поле только удерживает электроны на орбите). Синхротронное излучение
возникает при взаимодействии ускоренных электронов с мишенью,
расположенной непосредственно в камере ускорителя. Излучаемая за один
оборот электрона энергия возрастает пропорционально четвертой степени
энергии электрона при заданном радиусе орбиты (т.е. при заданном
магнитном поле). Изменяя радиус орбиты, что достигается изменением
величины магнитного поля, можно менять долю энергии, уходящей на
излучение. Синхротронное излучение является мощным ограничивающим
энергию ускоренных электронов фактором. Трудности создания устройств,
компенсирующих потери на синхротронное излучение, не позволяют строить
ускорители, разгоняющие электроны до энергий более 100 ГэВ (такие
энергии достигаются за счет использования встречных пучков, где вместо
мишени ускоренные электроны взаимодействуют с ускоренными же
позитронами). Синхротронное излучение характеризуется непрерывным
спектром, ширина которого определяется энергией ускоренных электронов и
может захватывать большой диапазон от ультрафиолета до γ-лучей.
§2. Дозиметрия ИИ.
Результатом воздействия ИИ на облучаемые объекты являются
физико–химические и биологические изменения в этих объектах: нагрев
тела,
фотохимическая
реакция
рентгеновской
пленки,
изменение
биологических показателей живого организма и т.д.
Для качественной оценки указанных изменений водятся ряд понятий
[1, 2, 3, 5, 6, 8, 17, 18]. Эффект облучения определяется, в основном,
поглощенной энергией. Доза облучения (поглощенная доза) D – энергия
излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества D 
dE
.С
dm
увеличением времени растет и доза облучения D. При одинаковых условиях
облучения доза зависит от состава облучаемого вещества. Специальная
единица измерения дозы облучения – рад (radiation absorbed dose) – такая
доза, когда 1 грамм вещества поглощает 100 эрг суммарного излучения. 1 рад
= 100 эрг/г = 10-2Дж/кг. В системе СИ единица измерения 1 Грей (Гр) = 1
Дж/кг = 100 рад.
Скорость поглощения дозы (dD/dt) – мощность поглощённой дозы.
Единицы измерения - [Гр/с].
Основная трудность в расчете D – точность определения коэффициента
поглощения и неоднородность окружающей среды. На практике дозу
оценивают косвенно по ионизации воздуха вокруг объекта. Вводят понятие
экспозиционной
дозы
(X 
dQ
)–
dm
мера
ионизационного
воздействия
фотонного излучения, т.е. доза, при которой в одном килограмме сухого
воздуха образуется заряд в 1 Кл.
Единицы измерения в системе СИ: 1 Кл/кг, специальная единица: 1
Рентген = 2.58·10-4 Кл/кг; 1 Кл/кг  3.876·103 Р.
Для оценок удобно
принимать 1 Р  0,877 рад  1 рад.
Измеряют
экспозиционную
дозу
при
помощи
ионизационных
детекторов. Поглощенная доза пропорциональна экспозиционной. D=fX; для
воздуха f=0.88; для костной ткани f = 1.54; для мышечной (мягкая ткань) f 
1. Таким образом, поглощенная доза в радах численно равна экспозиционной
дозе в рентгенах для легких тканей и воды, а также соответствует
биологической дозе 1 бэр. В связи с этим различные единицы измерения
соотносятся следующим образом:
1 рад  1 Р 1 бэр
Эффект лучевого воздействия на организм зависит от поглощенной
дозы, ее фракционирования во времени, от пространственного распределения
энергии. Для сопоставления биологического действия различных видов
излучения вводится относительная биологическая эффективность излучения
(ОБЭ). ОБЭ – отношение поглощенной дозы D0 образцового излучения,
вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе D
данного излучения, вызывающей такой же биологический эффект:
ОБЭ = D0/D.
В качестве образцового принято рентгеновское излучение с энергией
200 кэВ. ОБЭ зависит от вида биологического эффекта и конкретных условий
облучения.
Для контроля радиационной безопасности при хроническом облучении
устанавливают коэффициент качества излучения Q – регламентированное
значение ОБЭ для данного вида и энергии излучения.
Проходя через вещество, ИИ высоких энергий оставляют за собой
шлейф из множества ионов различной кинетической энергии. Происходит
разрушение или повреждение молекул живой ткани. Для коэффициента
качества для основных типов излучения принят следующий состав мягкой
биологической ткани, по массе:
76,2%
кислород
11,1%
углерод
10,1%
водород
2,6%
азот
Значения Q:
1
рентген и  - излучение
1
электроны и позитроны,  - излучение
3
тепловые нейтроны энергией 20 кэВ
10
быстрые нейтроны энергией 0,1-10 МэВ
2
протоны с энергией 5 МэВ
10
протоны с энергией <10 МэВ
20
 - излучение с энергией  10 МэВ
20
корпускулярное излучение тяжёлых ядер отдачи
Поглощённая
доза
не
учитывает
того,
что
при
одинаковой
поглощённой дозе α-излучение гораздо опаснее β или γ-излучений. В связи с
этим для данного вида излучения вводится эквивалентная доза Э –
произведение
поглощенной
дозы
D
данного
вида
излучения
на
соответствующий коэффициент качества Q:
Э=DQ.
Единицей СИ является 1 Зиверт (Зв) – эквивалент поглощённой дозы 1 Гр.
Специальная единица измерения – 1 бэр; 1 бэр – поглощенная доза любого
вида ИИ, которая имеет такую же биологическую эффективность, как 1 рад
РИ со средней удельной ионизацией 100 пар ионов на 1 мкм пути в воде.
Поскольку - и - излучения задерживаются небольшими слоями вещества, а
коэффициент качества для -излучения равен 1, то
1 Зв = 1 Гр = 100 бэр  87,7 Р  100 Р.
1 бэр = 10-2 Зв = 1 Р.
1 мКл/кг  4 Р.
Кроме указанных вводятся также
эффективная эквивалентная доза – для определенных органов и тканей (Зв);
коллективная эффективная эквивалентная доза – для групп людей (чел·Зв);
полувековая
доза
-
оценка
риска
возникновения
нежелательных
биологических эффектов за 50 лет профессиональной деятельности человека.
С 1.01.2000 г. введены в действие нормы радиационной безопасности
НРБ-99. Эта система признаёт лишь понятия поглощённой дозы (Гр),
эквивалентной дозы (Зв), эффективной дозы (Зв). Скорее всего введение этих
норм связано со стремлением свести все единицы к системе СИ.