Виды и свойства ионизирующих излучений. Источники, энергия, проникающая способность, биологические эффекты, защита. Единицы измерения радиоактивности, дозы облучения.

Введение.

Радиационная медицина‑ наука, изучающая действие ионизирующих излучений (ИИ) на организм человека, принципы лечения лучевых повреждений и профилактики возможных последствий облучения.

Среда обитания человека ‑ мир излучений, которые представляют собой перенос энергии через пространство в виде электромагнитных волн или субатомных частиц.Спектр электромагнитных излучений чрезвычайно широк. К ним относятся и свет, и звук. Они составная часть жизни. Человек адаптирован к излучениям в определенном диапазоне.

Излучения с длиной волны 10^‑14‑10^‑9м представляют собой рентгеновское и гамма-излучения, с длиной около 10^‑8‑10^‑7м (10–400 нм) – ультрафиолетовый свет, около 10^‑6м (400‑700 нм) ‑ видимый свет, около 10^‑6‑10^‑3м (0,740‑1000 мкм) ‑ инфракрасный свет, 10^‑3‑10⁴м ‑ радиоволны, 10⁵‑10⁸м ‑ излучения, сопровождающие электричество. Электромагнитные волны нашли широкое применение в жизни общества ‑ промышленной рентгенографии и лучевой терапии (10^‑14‑10^‑13м), медицинской рентгенографии (10^‑12‑10^‑10м), фотографии (видимый и инфракрасный свет), радарах (10^‑3‑10^‑2м), телевидении (10^‑1‑10⁰м), радио (10¹‑10⁴м) и т.д.

Все виды излучений подразделяют на:

Ионизирующие излучения– альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское излучения, коротковолновая часть ультрафиолетового света.

Неионизирующие излучения– длинноволновая часть ультрафиолетового света, видимый, инфракрасный свет, радиоволны.

Ионизирующие излучения обладают свойством ионизировать атомы. Излучение отрывает электроны и переносит их на оболочки других атомов. Например:

Н₂О + hν → Н₂О⁺+ е^–

Ионизированные атомы существуют доли секунд, т.к. электроны под действием электростатических сил возвращаются назад. В эти доли секунд ионизированные атомы запускают ряд патологических реакций, которые могут привести даже к гибели организма. Различие между ионизирующим излучением и неионизирующим в энергии. Если энергия излучения равна или больше 34 электрон-вольт (эВ), ‑ это ионизирующее излучение.

Электрон-вольт– единица, применяемая в ядерной физике для измерения энергии элементарных частиц и электромагнитных излучений. 1 эВ соответствует кинетической энергии, которую приобретет частица с зарядом равным заряду электрона (элементарный электрический заряд), проходя через электрическое поле с разностью потенциалов 1 В.

1эВ = 1,6∙10^‑19Дж.

Классификация ионизирующих излучений.

Различают два вида ИИ:

- Корпускулярные.

- Электромагнитные волны(квантовое или фотонное излучение).

Корпускулярные ИИ представляют собой поток частиц: электронов, протонов, нейтронов и т.д. Частицы могут быть нейтральными (нейтроны) и заряженными (альфа-частицы, бета-частицы, протоны). Существуют еще такие частицы как нейтрино, мезоны и другие, но как они действуют на организм человека изучено недостаточно.

К ИИ в виде электромагнитных волн относятся гамма- и рентгеновское излучения, коротковолновая часть ультрафиолетового света.

Краткая характеристика отдельных видов ионизирующих излучений (источники, энергия, проникающая способность, биологические эффекты, защита).

Альфа-излучение.

Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, заряд ядра +2, масса 4. Источником α-частиц всегда является распад радиоактивных веществ (РВ), но не все РВ являются α-излучателями. Естественный распад является способом самоуничтожения РВ. Нерадиоактивные вещества не распадаются. РВ при распаде дают дочерние продукты, очень часто радиоактивные благородные газы, последние являются короткоживущими, существуют всего несколько часов.

Существуют естественные (природные) и искусственные источники альфа-излучения. Например, к естественным источникам относятся радиоизотопы урановой группы. Родоначальник – уран-238 (²³⁸U), который появился с момента образования планеты. Скорость его распада очень мала, он дожил до наших дней и присутствует везде ‑ в почве, воде, продуктах, теле человека. В крови, моче он доступен для количественного определения. Продукты распада ²³⁸Uдают цепочку из 18 наименований, последнее вещество, свинец, является стабильным.

Искусственные α-излучателиобразуются в ядерных реакторах, в которых происходит синтез изотопов, часто не существующих в природе. Примером может быть плутоний-239 (²³⁹Pu), используемый как ядерная взрывчатка. В природе в естественных условиях он не существует, имеет период полураспада 40000 лет, дороже золота.

Каждый радионуклид характеризуется энергиейизлучения. По энергии излучения радионуклиды можно идентифицировать с помощью спектрометра. Например, у ²³⁹Puэнергия α-излучения равна 3,8 мегаэлектрон-вольт (МэВ). У большинства радионуклидов α-излучателей энергия α-излучения находится в диапазоне от 3 до 5 МэВ. Одна α-частица может ионизировать много атомов, число которых можно рассчитать. Например, α-частица с энергией 3,8 МэВ образует более 100 тысяч пар ионов (3,8 МэВ : 34 эВ).

Проникающая способностьα-частиц низкая. Эта крупная, заряженная частица не может преодолеть даже лист бумаги. Пробег α-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях ‑ от 10 до 100 мкм. Например, проникающая способность в биологическом материале α-излучения ²²⁶Racэнергией 4,8 МэВ близка к 40 мкм. Любые материалы, включая биологические ткани, полностью поглощают α-частицы. Эпидермис кожи поглощает α-излучение своими ороговевшими чешуйками, и живые клетки обычно не повреждаются. Ожогов кожи α-излучением не бывает. Даже слизь роговицы, слизистых оболочек защищает от воздействия α-частиц. Не описано случаев отравления ²³⁹Puу рабочих атомной промышленности. При приеме внутрь он практически не всасывается при неповрежденной слизистой желудочно-кишечного тракта, выделяется с калом и не облучает в значительной степени слизистую.

Альфа-излучатели опасны при вдыхании, так как альвеолы не имеют защитного слоя. Если происходит их диффузия в кровь, возможно развитие острой лучевой болезни, вследствие высокой ионизирующей способности с образованием нескольких десятков тысяч пар ионов на одну частицу (от 20000 в начале пробега до 80000 в конце).

Принципы защиты.При работе с α-излучателями надо предотвратить их поступление во внутреннюю среду организма, в основном, путем защиты органов дыхания марлевой повязкой, респиратором, противогазом, изолирующим костюмом и другими средствами.

Бета-излучение.

Существует 2 разновидности бета-частиц: электроны (е^-) и позитроны (е⁺). Они различаются зарядом, в остальном их свойства схожи.

Источники:

1. Радиоактивные вещества ‑ бета-излучатели (более 100). При естественном распаде излучают электроны или позитроны.

2. Бетатроны. Приборы, которые излучают электроны.

Существуют естественные и искусственные радионуклиды ‑ бета-излучатели. Главные из естественных:

Калий-40,присутствует в большом количестве в земной коре, особенно много его в минеральных удобрениях. Калий-40 ‑ смешанный излучатель (бета и гамма), поэтому возможна его регистрация портативными приборами. С помощью спектрометра излучения человека (СИЧ) можно определить количество калия-40 в организме. Так как соотношение между калием-40 и стабильным калием постоянное, можно определить общее содержание калия в организме.

Углерод-14присутствует в организме человека. По содержанию в ископаемом объекте можно определить его возраст, для чего сравнивают с содержанием в живом объекте.

Искусственные бета-излучатели попали в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия в воздухе. Наиболее значимыми из них являются йод-125, стронций-90, цезий-137.Сейчас испытания ядерного оружия в воздухе запрещены и проводятся только под землей. Подземные взрывы вызывают землетрясения. На поверхность могут диффундировать только радиоактивные газы, которые быстро распадаются. Самая мощная бомба в 50 мегатонн (американцы назвали ее "большой Иван") была взорвана в 1962 г. Мощность атомной бомбы взорванной в Хиросиме – 4 килотонны.

Энергиябета-излучения меньше чем у альфа-излучения и составляет 10-100 килоэлектрон-вольт (кэВ). Бета-излучение обладает меньшей ионизирующей способностью при сравнении с альфа-излучением (несколько десятков пар ионов на микрометр пробега). При торможении электронов в веществе возникает тормозное рентгеновское излучение.

Проникающая способностьбета-частиц больше, чем у альфа-частиц, а заряд и масса меньше. По воздуху бета-частицы распространяются до нескольких метров, в биологических тканях до нескольких сантиметров. Проникающая способность в биологическом материале β-излучения с энергией 2-5 МэВ равна 1-2,5 см. Бета-частицы имеют малую массу и при столкновении с другими элементарными частицами отклоняются, их путь извилист. Любые ткани поглощают бета-частицы. У пострадавших в результате чернобыльской аварии не было выявлено ожогов стоп, так как обувь эффективно поглощает бета- излучение. Без защиты бета-частицы могут проникать до росткового слоя кожи и поражать его. Ожоги, как правило, поверхностные, 1-2 степени. При внешнем облучении костный мозг не повреждается, и депрессии кроветворения, как правило, не наблюдается.

Бетатроны.Есть медицинские бетатроны, которые дают пучок электронов, направляемый на больной орган (опухоль). При контакте с пучком происходит локальное повреждение органов. У бетатрона энергия пучка может быть до 50 МэВ. Пучок электронов с энергией до 25 МэВ создает в тканях ионизацию с максимумом ее на глубине 1-3 см, затем доза быстро падает и на глубине 10 см практически близка к нулю. При уменьшении энергии электронов до 5-6 МэВ максимум дозы сдвигается ближе к поверхности тела. Костная ткань более значительно уменьшает пробег электронов.

Принципы защиты от бета-излучения.Основная задача защитить от поверхностного облучения кожу и видимые слизистые. Должно быть меньше открытых частей тела. Сухие хлопчатобумажные ткани защищают кожу не хуже, чем резина, мокрые пропускают бета-излучение. Необходимо защитить органы дыхания. Сложенный вчетверо носовой платок защищает в 8 раз, респиратор – в 100 раз.

Протоны.

Протоны (р) имеют массу, равную 1 а.е.м., заряд +1. Протоны являются составной частью космического излучения, однако, в основном, поглощаются атмосферой. Протоны образуются также на ускорителях тяжелых заряженных частиц промышленного и медицинского назначения типа синхроциклотрона. Ускоритель протонов представляет собой сложное инженерное сооружение. Двигаясь по спирали в однородном магнитном поле, протоны достигают больших энергий. Их пробег в воздухе достигает десятков метров. Длину пробега протонов и место их остановки в тканях пациента регулируют с помощью выбора толщины тормозящего фильтра, который изменяет энергию пучка. Это позволяет формировать пучок протонов с необходимыми лечебными свойствами.

Протоны постепенно теряют свою энергию при столкновении с ядрами атомов и внешними электронами. Так как масса протонов, как и масса альфа-частиц, значительно превышает массу электронов атомов, с которыми они соударяются, их траектория почти прямолинейна до конца пробега. Пробегпротонов сэнергией120 и 140 МэВ в тканях составляет соответственно 11 и 14 см. Ионизирующая способность пучка протонов резко возрастает в конце пробега (пик Брегга). Это позволяет подвести высокую дозу к облучаемой опухоли (до 100-200 Гр) без существенного облучения здоровых тканей. Ускорители протонов позволяют облучать строго ограниченные объемы тканей от 1 см³и более. На ускорителях протонов работает ограниченное число людей. Описаны несчастные случаи с непреднамеренным попаданием протонного пучка в голову. При этом наблюдается эффект воздействия как от укола иглой. Исход зависел от того, что было повреждено.

Нейтроны.

Нейтроны (n) имеют массу, равную 1 а.е.м., заряд 0. Источник нейтронного потока ‑ цепные ядерные реакции (ЦЯР). Эти реакции идут на солнце и дают солнечную энергию. Нейтроны доходят от солнца до верхних слоев атмосферы земли и поглощаются парами и воздухом. В обычных условиях человек не подвергается воздействию нейтронов. Нейтроны возникают при ядерном взрыве, вызывают тяжелое поражение, хотя действие длится секунды. Нейтроны поддерживают ЦЯР в ядерных реакторах, где их удерживают отражателями, чтобы они не выходили из активной зоны.

Энергиянейтронов колеблется в очень широком диапазоне от 0,025 эВ до 300 и более МэВ. По энергии различают медленные и быстрые нейтроны, между которыми граница находится в области 1 МэВ. К медленным относятся нейтроны с небольшой энергией, которые получили название тепловых нейтронов. Нейтроны с энергией в сотни и тысячи эВ называются промежуточными. Нейтроны с энергией более 1МэВ – быстрые. Нейтроны с энергией более 20 Мэв – сверхбыстрые.

В ускорителях нейтронов – пучковые потоки. Пучки нейтронов с энергией 10-15 МэВ имеют максимум ионизации непосредственно на поверхности тела. Энергия определяет проникающую способность. Нейтроны не имеют заряда, проникают вглубь атома и взаимодействуют непосредственно с ядрами. Теоретически нейтроны распространяются до бесконечности, но препятствиями поглощаются. Проникающая способность в биологическом материале нейтронов с энергией 14 МэВ составляет 10 см. Содержащие водород соединения хорошо поглощают нейтроны (вода, парафин, пластмассы). Нейтрон имеет массу, равную массе протона, при столкновении с водородом наблюдается эффект равных шаров(упругое рассеяние). Нейтрон передает протону половину энергии, последний (протон отдачи) начинает двигаться и ионизировать другие атомы. При столкновении нейтрона с крупными ядрами эффектотражения (неупругое рассеяние). При этом часть энергии нейтрона возбуждает ядро отдачи, которое переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

При определенных условиях нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват), переводя их в возбужденное состояние, и вызывать ЦЯР (деление или синтез ядер). Нейтроны способны вызывать наведенную активность, превращая нерадиоактивные в радиоактивные атомы. Нейтроны могут образовывать радиоактивные золото, железо и др. Наводиться могут все металлы (золотые зубы, кольца, расчески). Описан ожог языка от прилегающей коронки зуба после облучения нейтронами. По степени наведенной активности физики могут определить дозу облучения. Нейтронная бомба была создана как противотанковое оружие, так как наводит радиоактивность. Это самая дорогая бомба, сейчас ее производство прекращено.

Биологические эффекты нейтронов. Воздействие кратковременно. Так как нейтроны проникают везде, характерно повреждение кроветворной ткани. Отмечается односторонность повреждения. Большую дозу получает часть тела, повернутая к источнику, и на стороне поражения будет краснота кожи. В случае неравномерного поражения прогноз по кроветворению благоприятный, так как костный мозг сам себя пересадит в пораженные участки, и трансплантация костного мозга не требуется.

Для защитыиспользуют экраны из воды, парафина, пластмасс. У свинца – меньшая защитная эффективность от нейтронов.

Рентгеновское излучение.

Различают характеристическое рентгеновское излучение и тормозное. Характеристическое излучение возникает при изменении энергетического состояния электрона в атоме с переходом его на более энергетически выгодную орбиталь. Тормозное рентгеновское излучение образуется при столкновении заряженных частиц (электронов) с частицами вещества, через которое они проходят. Этот принцип возникновения рентгеновского излучения при торможении электронов на аноде используется в рентгеновских трубках.

Рентгеновское излучение имеет длину волны 10^‑14‑10^‑9 м. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше проникающая способность. При прохождении через ткани рентгеновское излучение быстро поглощается, и доза, полученная тканями и органами, зависит от расстояния до источника. Повреждающее действие рентгеновского излучения на ткани сходно с описанным ниже действием гамма-излучения. К защитнымматериалам относятся тяжелые металлы (свинец), бетон, грунт.

Гамма-излучение.

Источникигамма-излучения разные. Образуется при ядерных превращениях, имеет длину волны 10^‑14‑10^‑10м. Гамма-излучение сопровождает бета-излучение (b+g). Отдельные альфа-излучатели также могут быть источниками гамма-излучения (a+g). Гамма-излучение может сопровождать и ЦЯР с нейтронным излучением. Гамма-фон за счет космического и земного излучения существует с момента зарождения планеты и уменьшается со временем. Гамма-излучение обладает повреждающим действием, которое особенно биологически значимо для хромосомного аппарата. Человек в определенной степени адаптирован к гамма-фону. Более того, некоторые считают, что, повышая изменчивость, гамма-фон способствовал возникновению жизни и ускорению эволюции.

На земле гамма-фон находится в пределах от 5 до 50 мкР/час. Уровень гамма-фона местности зависит от высоты над уровнем моря, присутствия горных пород. В Бразилии, Индии есть территории, где наблюдается еще более высокий гамма-фон, но там живет мало людей. Важно знать гамма-фон своей местности. В Витебске гамма-фон составляет 10-15 мкР/час. В горах гамма-фон выше, так как поверхность земли ближе к солнцу и разреженная атмосфера меньше поглощает космическое гамма-излучение. Там, где есть гранитные породы, гамма-фон также выше.

Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью.Длина пробега в воздухе составляет несколько сот метров. При прохождении тела человека γ-излучение теряет половину энергии. Ослабление гамма-излучения осуществляется путем фотоэффекта, эффекта Комптона и путем образования пары электрон-позитрон.

При фотоэффектеэнергия фотона полностью поглощается и расходуется на отрыв электрона и придание ему кинетической энергии. Электрон, вырванный из поля атома, производит ионизацию ткани. Место выбитого электрона занимает электрон с более высокой орбитали с испусканием характеристического рентгеновского излучения. Чем ближе электрон к ядру, тем большая энергия его связи с ядром. Фотоэффект характерен для мягкого гамма-излучения с энергией до 0,5 МэВ.

При энергии от 0,5 до 1 МэВ фотон передает выбитому электрону только часть своей энергии, меняя направление своего движения, что получило название комптоновского рассеяния. Фотон с энергией более 1 МэВ, взаимодействуя с ядром, преобразуется в его поле в пару электрон и позитрон, которые производят ионизацию других ядер. Позитрон, встречаясь с электроном, превращается в два фотона (аннигиляция), которые поглощаются средой.

Эффекты. Характерно повреждение кроветворной ткани (костного мозга, лимфоидной ткани, периферической крови), репродуктивных органов и эпителиальной ткани. Другие органы и ткани менее чувствительны.

Защита.Существует 3 принципа защиты. Защита расстоянием. По мере удаления от источника доза уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Надо отойти на максимально возможное расстояние от источника излучения. Иногда в защите жизни решающим оказывается один шаг. При аварии на ЧАЭС так и не было аварийного сигнала. Люди находились на рабочих местах и облучались с 1²⁰до 8⁰⁰, до конца рабочей смены. Если бы была сирена, люди бы ушли в убежище. Защита временем. Доза облучения пропорциональна времени контакта. Чтобы уменьшить дозу вдвое, надо сократить время контакта вдвое. Защита экраном. Используются свинцовые, бетонные, грунтовые экраны. Для всех материалов есть свой процент (коэффициент) ослабления.

Основные понятия и единицы измерения в радиационной медицине.

Активность(А) характеризует количество атомов, распадающихся единицу времени. Скорость радиоактивного распада – величина постоянная для каждого радионуклида. Радиоактивный распад до полного самоуничтожения описывается уравнением:

N_t= N₀×e^-0,693×t/T,

где N₀–исходное количество активных атомов, N_t–количество активных атомов через время t, и Т– период полураспада вещества.

Существует 2 основные единицы активности.

Первоначально, за единицу Кюри(Ки) была принята активность 1 г радия-226. 1 кюри = 3,7×10¹⁰распадов в секунду. Кюри – крупная единица, поэтому на практике часто используют дольные производные:

 

 

10-1Kи – децикюри (дКи, dCi)	10-9Ки – нанокюри (нКи, nCi)
10-2Ки – сантикюри (сКи, cCi)	10-12Ки – пикокюри (пКи, pCi)
10-3Ки – милликюри (мКи, mCi)	10-15Ки – фемтокюри (фКи, fCi)
10-6Ки – микрокюри (мкКи, mCi)	10-18 Ки – аттокюри (аКи, aCi)

В международной системе единиц измерения (СИ) за единицу активности принят Беккерель (Бк, Bq). 1 Бк ‑ это активность источника, в котором за 1 секунду распадается 1 атом (1 распад в 1 сек). Это малая активность. Поэтому на практике используют кратные производные:

101Бк – декабеккерель (даБк, daBq)	109Бк – гигабеккерель (ГБк, GBq)
102Бк – гектобеккерель (гБк, hBq)	1012Бк – терабеккерель (ТБк, TBq)
103Бк – килобеккерель (кБк, kBq)	1015Бк – петабеккерель (ПБк, PBq)
106Бк – мегабеккерель (МБк, MBq)	1018Бк – эксабеккерель (Эбк, Ebq)

1 Ки = 3,7×10¹⁰Бк = 37 ГБк. 1 Бк = 2,7×10^–11Ки = 27 пКи.

Дозы ионизирующего излучения.

Доза – это количественная мера, отражающая действие ИИ на облучаемый объект. Мощность дозы – это доза в единицу времени.

Выделяют несколько частных понятий доз.