С П Грыгор'ева - Види і властивості іонізивних випромінень - страница 1

Страницы:
1  2  3 

Український Радіологічний Журнал

© ДУ Інститут медичної радіології ім. СП. Григор'єва НАМИ України (2012) УРЖ 2012; 20: 261-276

ЛЕКЦІЯ

мі. пилипенко фізика радіології

ДУ Інститут медичної 1

радіології Ш. СП. Грыгор'ева Ph\/Sir~s of гдліоІосП/

НАМИ України, Харків ph\\SICS Of raaiO|Ogy

1. Види і властивості іонізивних випромінень

Іонізивні випромінення (IB)—це випромінен-ня, взаємодія яких із середовищем спричиняє іоні­зацію атомів і молекул. До IB належать фотони (гамма- та ікс-промені), елементарні частинки (альфа- і бета-частинки, електрони, позитрони, протони, нейтрони та інші елементарні частинки).

Енергія іонізивних випромінень вимірюється в електрон-вольтах (еВ, eV).

Фотони—дискретні порції (кванти) електро­магнітної енергії, які можуть поводитися як хвилі чи частинки та не мають маси спокою і електрич­ного заряду. Фотони з енергією приблизно до 2 кеВ (2х103 еВ) є фотонами оптичного діапазону електромагнітного випромінення (світлом), а при більшій енергії вони здатні іонізувати атоми се­редовища, отже належать до іонізувальних. Якщо енергія фотонів становить щонайменше 10 МеВ (10х 106 еВ), їх взаємодія з ядром атома призво­дить до руйнації останнього з викидом з нього нейтрона, протона чи альфа-частинки. Цей про­цес носить назву «фотодезінтеграція» (рисунок1).

Струмені фотонів залежно від походження на­зиваються ікс-променями (ікс-випроміненням, рентгенівськими променями) чи гамма-променя­ми (гамма-випроміненням).

Рисунок 1. Схема процесу взаємодії фотонів надвисокої енергії з ядром атома з фотодезінтеграцією останнього

Fig. 1. Scheme of ultra-high energy photon interaction with the nucleus of an atom with photodisintegration of the latter

Ікс-промені виникають при взаємодії струменя електронів з атомами будь-якої речовини. У полі атомів електрони гальмуються, і їх енергія випро­мінюється у вигляді квантів, що в таких випадках носять назву гальмівного ікс-випромінення. Енергія квантів такого випромінення становить континуум (неперервність) значень у діапазоні від мінімальної (на межі ультрафіолетових променів) до максимальної, відповідної повній кінетичній енергії електронів, що гальмуються. Отже, галь­мівне ікс-випромінення має неперервний енерге­тичний спектр. Крім того, частина електронів, що падають, видаляє орбітальні електрони за межі атомів. На звільнене на внутрішній електронній оболонці атома місце переходить електрон із зов­нішньої оболонки, випромінюючи при цьому час­тину своєї енергії у вигляді фотона ікс-випромінен­ня. Для кожного елемента такі фотони мають свої характерні значення величини енергії, тому спектр їх енергії лінійчастий, а вони називають­ся характеристичним ікс-випроміненням.

Гамма-випромінення (у)—фотони ядерного по­ходження, які виникають при радіоактивному роз­паді ядер нестабільних нуклідів хімічних елементів. Зазвичай, фотони гамма-випромінення мають до­сить високу енергію—від десятків кеВ і вище.

Електрон (e )—елементарна частинка оболо­нок атома із зарядом -1 і масою спокою 511 кеВ (маса спокою частинок має певний еквівалент енергії і, відповідно, може визначатися в одини­цях енергії). Електрони бувають також ядерного походження. Такі народжуються в процесі радіо­активного розпаду нестабільних ядер шляхом роз­паду одного з нейтронів ядра на протон і електрон. Електрони такого походження називаються бета-частинками (Р-). їх кінетична енергія має характерне для даного нукліда значення.

Позитрон (e+) — елементарна частинка анти-матерії із зарядом +1 і масою спокою 511 кеВ. Фактично це дзеркальна до електрона частинка,яка народжується в парі з електроном при гальму­ванні фотона з енергією не менше 1,022 МеВ, по-заяк маса кожної з цих частинок дорівнює 511 кеВ. Крім того, існують позитрони ядерного поход­ження. Ядра деяких нестабільних нуклідів розпа­даються з випроміненням позитрона (так званий позитронний бета-розпад), який народжується в ядрі в результаті розпаду протона на нейтрон і по­зитрон. В такому випадку нейтрон залишається в ядрі, а позитрон випромінюється за його межі.

Оскільки позитрони—це частинки антима-терії, то в оточенні матерії вони існують тільки в русі. Коли їх кінетична енергія вичерпується в по­лях атомів матерії, вони зливаються з найближ­чим електроном, і маси обох частинок зникають, породжуючи два фотони з енергією 511 кеВ кож­ний. Цей процес має назву анігіляція. Анігіляційні фотони розлітаються в протилежні боки під ку­том 180° (рисунок 2). На основі явища анігіляції розроблено ядерномедичний діагностичний ме­тод під назвою позитронна емісійна томографія (ПЕТ), за допомогою якого отримують медичні молекулярні зображення.

Позитрон Електрон

Рисунок 2. Схема процесу анігіляції пари електрон-по-зитрон

Fig. 2. Scheme of annihilation process of an electron-posi­tron pair

Протон (р) — ядерна частинка (нуклон) із заря­дом+1 і масою спокою 938 МеВ.

Нейтрон (n)—ядерна частинка (нуклон) з ну­льовим зарядом і масою спокою 940 МеВ.

Альфа-частинка (а)композитна частинка, що складається з 2 нейтронів і 2 протонів, тобто еквівалентна ядру гелію, має заряд +2 і масу 3,8 ГеВ (3,8х1012 еВ, або 4 атомні масові одиниці).

Проходячи через середовище, ІВ збуджують (викликають перехід електронів з внутрішніх орбіт на вищі) або іонізують (вибивають за межі атома один чи кілька орбітальних електронів) його атоми. Збудження чи іонізація атома робить його хімічно активнішим.

Із здатністю ІВ викликати іонізацію атомів се­редовища пов'язані їх похідні властивості:

• викликати люмінесценцію деяких матеріалів,

• чинити фотохімічну дію («засвічувати» фото­плівку),

• ініціювати хімічні реакції,

• чинити біологічну дію.

2. Ослаблення і поглинання струменя ІВ. Типи взаємодії ІВ з матерією

Інтенсивність струменя ІВ падає пропорційно квадрату збільшення відстані від його джерела (закон обернених квадратів). Наприклад, збіль­шення відстані від джерела удвічі зменшує інте-сивність струменя в чотири рази (рисунок 3).

Рисунок 3. Зміна інтенсивності струменя випромінення обернено пропорційна квадрату відстані від його джерела. D1 і D2 — інтесивності струменя на відстані 11 і 12 від джере­ла, відповідно, l2 = 2Ї1( D2 = 1/4D1

Fig. 3. A change of radiation beam intensity is reversely pro­portional to the square of the distance from its source. D1 and D2 are intensity of the beam at the distance of l1 and l2 from the source, respectively l2 = 2l1, D2 = 1/4D1

Математично цю закономірність виражає рівняння:

D2=D1 х /12/42,

де D1—інтенсивність струменя випромінення на відстані від джерела /1;

D2—інтенсивність струменя випромінення на відстані від джерела /2.

Закономірність зміни інтенсивності струменя зі збільшенням відстані використовується, зазви­чай, як один із важливих факторів радіологічного захисту.

На своєму шляху в речовині ІВ поступово втра­чають енергію, передаючи її атомам у процесі їх іонізації і збудження. Зіткнення випромінення з атомами носить імовірностний (статистичний) характер, тому інтенсивність струменя в речовині згасає за експоненційним законом: на кожній оди­ниці товщини однорідної речовини (поглинача) поглинається одна і та ж сама частка випромінен­ня. Якщо в першій одиниці товщини шару речови­ни поглинеться 1 % зі 100 одиниць інтенсивностівипромінення, на наступний шар залишиться 99 одиниць, із яких 1 % поглинеться в цьому шарі. Продовження такого розрахунку покаже, що після проходження струменя крізь 10 одиниць товщи­ни даної речовини залишиться 90,45 одиниць інтенсивності струменя (рисунок 4).

50

 

Шар

напівослаблення 6,93 см

\

25------

13,9:

0 2        4       6        8       10      12      14 16

Товщина поглинача,см

Рисунок 4. Закономірність падіння інтенсивності струме­ня випромінення в речовині

Fig. 4. Regularity of radiation beam intensity reduction in a substance

Цілком зрозуміло, що зі збільшенням питомої густини речовини імовірність зіткнень випромі­нення з атомами зростає, тобто здатність речови­ни ослаблювати струмінь випромінення зале­жить від її питомої густини. Інакше кажучи, речо­вина з високою питомою вагою буде ослаблюва­ти струмінь випромінення інтенсивніше, ніж із низькою. Саме тому для захисту від радіації вико­ристовують такі матеріали, як бетон, зокрема ба-ритобетон (бетон з вмістом нерозчинної сполуки барію—сірчанокислого барію), свинець, збідне­ний уран тощо. Для кількісної характеристики ос-лаблювальної здатності матеріалів зазвичай ви­користовують два показники: лінійний коефіці­єнт ослаблення і шар напівослаблення.

Лінійний коефіцієнт ослаблення—показник ступеня відносного ослаблення струменя випро­мінення шаром даної речовини завтовшки 1 см.

Шар напівослаблення—абсолютне значення товщини шару речовини, яка забезпечує ослаб­лення струменя вдвічі.

Цілком зрозуміло, що значення цих показників буде різним не тільки для різних матеріалів, але і для одного і того ж самого матеріалу залежно від виду і енергії випромінення.

Для визначення ослаблювальної здатності за­хисного пристрою із будь-якого матеріалу вико­ристовують показник, який носить назву свинце­вий еквівалент міліметрах товщини свинцю). Свинцевий еквівалент—товщина шару свинцю, яка ослаблює струмінь фотонного випромінення в такій самій мірі, як і даний шар матеріалу.

Заряджені частинки іонізують атоми речовини переважно безпосередньо при зіткнені з ними. Такий механізм іонізації носить назву пряма іоні­зація. При проходженні частинок без заряду (ней­тронів) або фотонів крізь середовище іонізація атомів відбувається переважно під дією вторин­них частинок (орбітальних електронів або ядер­них частинок), що вибиваються з атома при пер­шій взаємодії незаряджених ІВ, і тому такий тип іонізації називають непрямою іонізацією.

Для фотонів існує 5 типів взаємодії з атомами речовини:

когерентне (томпсонівське, класичне) розсію­вання;

комптонівське розсіювання (комптон-ефект); фотоелектричний ефект; утворення пари (або триплета) і фотодезінтеграція.

Когерентне розсіювання полягає в тому, що падаючий фотон у полі атома змінює напрямок руху (розсіюється), не втрачаючи кінетичної енергії (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема когерентного (класичного) розсіювання фотонів ікс-променів на атомі речовини

Fig. 5. Scheme of coherent (classical) dispersion of x-ray photos on an atom

Зміна траєкторії руху фотона може відбутися під будь-яким кутом, аж до зворотного напрямку (зво-ротнерозсіювання). В радіологічному захисті цю обставину враховують при влаштуванні робочих місць персоналу: за спиною оператора (наприклад, радіолога) на відстані менше 2 метрів не повинно бути стіни або будь-яких масивних предметів, від яких йтиме зворотно розсіяне ікс-проміння.

Комптонівськерозсіювання—зміна напрямку вої енергії фотонів, глибині. Рівень найбільшої

руху фотона з одночасною втратою частини його поглинутої за такої ситуації в речовині енергії

енергії в результаті прямого стикання з електро- носить назву пік дози. Крім того, зі збільшенням

ном атома (рисунок 6). Внаслідок такої події елект- енергії фотонів вірогідність зворотного розсію-

рон набуває прискорення і покидає атом, стаючи «снарядом» вторинної (непрямої) іонізації довко­вання випромінення зменшується.

Фотоелектричний ефект — фотон при сти-

лишніх атомів. Кут відскоку електрона до напрям- канні з електроном атома передає йому всю свою

ку руху фотона при невеликих енергіях остан- енергію (поглинається електроном), і електрон

нього варіює в досить широких межах (широке отримує достатню енергію, щоб покинути атом.

розсіювання), зменшуючись при збільшенні Такий електрон носить назву фотоелектрон

енергії падаючого фотона. При енергіях фотона (рисунок 7). Його вакантне місце займає інший

понад 1 МеВ вторинні електрони практично всі електрон з більш віддаленої електронної оболон-

рухаються вздовж траєкторії струменя фотонів, ки, випромінюючи при цьому квант характерис-

тим збільшуючи передану енергію в глибині опро­мінюваної речовини. В результаті поглинута тичного ікс-випромінення.

Утворення пари—процес, при якому високо-

енергія в поверхневих шарах речовини може енергетичний фотон (Е —1,022 МеВ) трансфор-бути меншою, ніж на деякій, залежно від початко-    мується в пару частинок—електрон і позитрон,

тобто відбувається перетворення енергії в мате­рію (рисунок 8).

Така подія відбувається тільки в полі атома, який відіграє в цьому процесі роль «каталізатора».

Про фотодезінтеграцію надвисокоенергетич-ним фотоном ядра атома згадано уже вище. До того треба додати, що наслідком фотодезінтеграції стає виникнення нестабільного (зазвичай, корот-ковічного) атома. При лікуванні онкологічних хворих мегавольтним випроміненням лінійного прискорювача (Е = 18-23 МеВ) в їх опромінюва­них тканинах утворюється дещиця саме таких не­Рисунок 6. Схема комптонівського розсіювання фотонів      СТабІЛЬНПХНаДКОрОТКОВІЧНПХаТОМІВ, ЯКІмаЙЖв

у речовині повністю встигають розпастися протягом десятка

Fig. 6. Scheme of c°mpt°n's dispersion of photons in    хвилин по завершенні опромінювання.

substance

Рисунок 7. Схема послідовних етапів фотоелектричного ефекту: а — зіткнення падаючого фотона з електроном К-обо-лонки і викид останнього за межі атома; б — вакансія на К-оболонці; в — заповнення вакансії К-оболонки електроном з L-оболонки і випромінення останнім фотона характеристичного ікс-випромінення К-оболонки, і далі заповнення утво­реної вакансії L-оболонки електроном з М-оболонки з випроміненням фотона характеристичного ікс-випромінення L-оболонки

Fig. 7. Scheme of consecutive stages of photoelectric effect: a - collision of a falling photon with an electron of K-shell and emission of the letter outside the atom; б - vacancy of K-shell; в - filling-in of the vacancy of K-shell with an electron from L-shell and radiation of characteristic x-rays of K-shell by the latter photon, and further filling in of L-shell vacancy by the electron from M-shell with radiation of photon of characteristic x-rays of L-shell

Рисунок 8. Утворення в полі атома з високоенергетично­го фотона пари частинок — електрона і позитрона. Якщо така подія відбувається на орбітальному електроні, утво­рюється триплет, позаяк до народженої пари частинок при­єднується вибитий з орбіти електрон відскоку

Fig. 8. Formation of an atom in a field from a high-energy photon and a pair of particles (electron and positron). If this event occurs on an orbit electron, triplets are formed because the detached from the orbit recoil electron joins the born pair

Частість зіткнень струменя фотонів чи частинок з атомами середовища залежить від їх маси, заря­ду та енергії. Вочевидь, частинки з більшою масою та електричним зарядом мають шанси частіше взаємодіяти з атомами, і тому на їх траєкторії зали­шиться багато іонізованих атомів на одиницю дов-жсини пробігу в середовищі (рисунок 9).

У таких випадках кажуть про високу густину іонізації, а випромінення називають густоіонізу-вальним. До таких випромінень належать про­тони, нейтрони і альфа-частинки.

На противагу їм, випромінення з малим заря­дом і малою масою (електрони, позитрони) і особливо без заряду і маси спокою (кванти гамма-та ікс-випромінення) спричиняють іонізацію се­редовища низької густини і тому називаються слабкоіонізувальними. Густину іонізації інакше називають лінійним передаванням енергії(ЛПЕ).

З енергією ІВ густина іонізації середовища має зворотний зв'язок—з ростом енергії іонізуваль­на здатність ІВ скорочується, позаяк у високо­енергетичних випромінень зменшується ймовір­ність зіткнення з атомами.

Важливо зауважити, що з густиною іонізації прямо пов'язані фізичні, хімічні і біологічні на­слідки взаємодії ІВ з опромінюваним середови­щем —чим вища густина іонізації, тим значніші наслідки, що з точки зору проблем радіаційної ме­дицини означаєгустоіонізувальні ІВ можуть становити значно більшу загрозу.

Рисунок 9. Схема відтинків траєкторії різних типів ІВ з розподілом на них актів взаємодії із атомами середовища: 1 — первинна іонізація; 2 — вторинна іонізація; 3 — збуд­ження; І — фотон з енергією 40 кеВ; ІІ — бета-частинка з енергією 90 кеВ; ІІІ — альфа-частинка з енергією 4 МеВ; IV — гамма-квант з енергією 1,25 МеВ

Fig. 9. Scheme of shades of trajectory of various types of IR with distribution of interaction acts with the environment atoms. 1- primary ionization; 2 - secondary ionization; 3 -excitation; І - photon with energy of 40 keV; ІІ - beta-particle with energy of 90 keV; ІІІ - alpha-particle with energy 4 MeV; !V - gamma-quantum with energy 1.25 MeV

Довжина пробігу ІВ у середовищі—середній загальний шлях, який може пройти елементарна частинка чи фотон у ньому, залежить від маси, за­ряду і енергії ІВ та густини середовища. Цілком зрозуміло, що високій масі і заряду ІВ відповідати­ме коротка довжина їх пробігу. Також зрозуміло, що у середовищах високої питомої густини дов­жина пробігу ІВ також скорочується в міру швид­кого поглинання їх енергії.

3. Дозиметрія

Дозиметрія—це галузь фізики з проблем ви­значення кількості та розподілу поглинутої енергії ІВ у середовищі. Основоположним у дозиметрії є поняття дози. Збігло чимало часу—два десяти­ліття —з моменту відкриття ікс-променів до фор­мулювання вченими поняття дози в тому ви­гляді, який прийнято нині. У дещо спрощеному вигляді воно визначається так: доза—це енергія, яка передається одиниці маси речовини струме­нем випромінення.

Слід звернути увагу на те, що доза в наведеному визначенні не є кількісною характеристикою без­посередньо струменя випромінення (для цього вживають інші міри, наприклад, щільність стру­меня випромінення). Вона кількісно характеризує чинник, який безпосередньо відповідає за певні ефекти в опромінюваному середовищі і кількість якого, як правило, прямо пов'язана з рівнем цих ефектів. Таким чинником є енергія, що поглинаєть­ся середовищем з потоку випромінення.

Іншим важливим аспектом прийнятого визна­чення поняття дози є те, що за дозу приймають не всю поглинуту опромінюваною речовиною енергію, а її кількість у даній одиниці маси.

Здавалося б, у біології та медицині має сенс вра­ховувати загальну кількість енергії, поглинуту живою речовиною, тому що рівень біологічних ефектів стосовно цілісного організму вочевидь залежить саме від цієї величини. Адже зрозуміло a priori, що локальне опромінення тварини чи лю­дини матиме менш фатальні наслідки, ніж опро­мінення тотальне за умови, що в обох випадках на кожну одиницю маси опромінених тканин припадає в середньому однакова енергія, тобто, інакше кажучи, дози будуть однаковими в обох випадках, а біологічні ефекти—різними. І ця об­ставина здається парадоксальною, зважаючи на те, що бажано було б мати таку міру дії радіації, за якою можна було б робити більш-менш точне передбачення рівня наслідків опромінення.

Свого часу було введено поняття інтегральна доза, яка визначалась як загальна кількість енергії, поглинутої всією опроміненою ткани­ною. Але нині це поняття переважно має лише історичне значення з багатьох причин, головни­ми з яких є проблема вимірювання величини інтегральної дози і залежність наслідків опромі­нення біологічного об'єкта від численних інших факторів фізичної і/чи біологічної природи, части­на яких навіть і досі залишається непевною.

Пряме вимірювання поглинутої енергії зі стру­меня проміння в живій тканині є нерозв'язною задачею, бо жива тканина з погляду фізики є сис­темою з упорядкованими потоками енергії, рівні яких у фізіологічних умовах на багато порядків пе­ревищують рівень тієї енергії, що поглинається тканинами навіть при летальному опроміненні. Це відоме явище, що відмічається як парадокс біологічної дії радіації, є одним із чинників унеможливлення прямого вимірювання енергії, доданої потоком проміння в живу тканину.

З огляду на це, пряме вимірювання дози здійснюється в певних середовищах, які назива­ються дозиметричними модельними середови­щами. Як такі використовують гази, тверді тіла та рідини. Відповідно до цього детектори при­ладів, призначених для вимірювання дозидо­зиметрів, розподіляють на газові, твердотільні та рідинні.

На рисунку 10 наведено принципову схему бу­дови радіаційного дозиметра.

Рисунок 10. Принципова схема будови радіаційного дози­метра

Fig.10. Principal scheme of radiation dosimeter structure

Слід звернути увагу, що матеріал детектора, в якому формується пропорційний вимірюваній радіаційній дозі сигнал, і є модельним середови­щем.

Визначення радіаційної дози, тобто енергії, переданої середовищу, здійснюється на основі вимірювання величини певних ефектів, які відбу­ваються в модельному середовищі при взаємодії ІВ з його атомами. За типом таких ефектів радіа­ційні детектори і, відповідно, методи дозиметрії розподіляються на:

іонізаційні,

сцинтиляційні,

термолюмінесцентні (ТЛ),

плівкові (фотоплівкові),

теплові та

хімічні.

В іонізаційному дозиметрі детектором слугує іонізаційна камера (рисунок 11), заповнена по­вітрям. Розміри камери, тобто об'єм повітря в ній, варіюють від кількох частин 1 см3 до 1000 см3, що визначається необхідною чутливістю дозиметра (більший об'єм забезпечує більшу чутливість) і про­сторовою точністю вимірювання (малий об'єм за­безпечує просторову точність). Фотони чи час­тинки, які входять до камери, передають енергію атомам повітря, в результаті чого останні іонізу-

Рисунок 11. Принципова схема будови і дії іонізаційного дозиметра

Fig. 11. Principal scheme of ionization dosimeter structure and work

ються. Вільні іони рухаються до електродів каме­ри, створюючи струм у зовнішньому електрично­му колі. Величина струму вимірюється спеціаль­ним пристроєм, і за нею можна розрахувати кількість енергії, що поглинається з потоку фотонів повітрям у камері, тобто дозу в повітрі камери.

Іонізаційні дозиметри з ряду важливих причин найбільш вживані в дозиметрії, яка обслуговує потреби медичної практики.

Люмінесцентний дозиметр за детектор має сцинтилятор (монокристал NaI, спеціальні пластмаси, сцинтиляційні рідини), до якого щільно прилягає фотоелектричний помножувач (ФЕП). Енергія випромінення у сцинтиляторі пе­ретворюється на світлові фотони, які у ФЕП збуд­жують електричні імпульси, що реєструються зовнішніми блоками дозиметра. Кількість імпуль­сів пропорційна поглинутій у сцинтиляторі енер­гії, тобто дозі.

Близькою за принципом до сцинтиляційної дозиметрії є термолюмінесцентна дозиметрія (ТЛД), відкрита і розроблена протягом 70-х років минулого сторіччя. Метод нині широко застосо­вують для оцінки рівня опромінення персоналу, калібрування радіаційного виходу терапевтич­них джерел, вимірювання опромінення тіла па­цієнта при рентгенодіагностиці тощо. Детекто­ром для таких дозиметрів слугує маленька таблет­ка чи стовпчик (діаметром 3-10 мм) з LiF або іншого спеціального матеріалу (наприклад, AlO2, CaF2), атоми якого здатні накопичувати поглину­ту енергію в електронних оболонках на тривалий час і потім віддавати її у вигляді світлового спалаху при нагріванні. Такі дозиметри дозволяють вимі­рювати дозу у великому діапазоні її значень, що дорівнює 8 порядкам.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

С П Грыгор'ева - Види і властивості іонізивних випромінень