Кафедра онкологии, лучевой терапии и лучевой диагностики
Зав. кафедрой: проф., д.м.н. Редькин Александр Николаевич
Преподаватель: к.м.н. Черкасова Ирина Ивановна
Реферат на тему: «Физика ионизирующих излучений»
Выполнила: Васильченко Марина Геннадьевна
Излучения, используемые в медицинской радиологии, делят на 2 группы:
1) Ионизирующие излучения
2) Неионизирующие излучения, к которым относятся радиоволны, инфракрасное излучение, а также ультразвуковые волны в диапазоне 1-15 Мгц.
Ионизирующие излучения - это электромагнитные излучения, которые создаются при ионизации атомов, их радиоактивном распаде, формируя при взаимодействии со средой ионы различных знаков.
Ионизирующие излучения условно делят на 2 группы:
1) Корпускулярные
2) Фотонные (квантовые)
Корпускулярное ионизирующее излучение
Данное излучение представляет собой потоки элементарных частиц:
α – частицы, β – частицы (электроны, позитроны), протоны, нейтроны, мезоны и др. Они обладают зарядом, массой и энергией в отличие от фотонов.
Альфа-излучение представляет собой поток ядер атома гелия, имеет массу 4 у.е. и заряд +2. Энергия альфа-частиц составляет 4-7 Мэв. Пробег альфа-частиц в воздухе достигает 8-10 см, в биологической ткани 50-70 микрометров (мк). Так как пробег альфа-частиц в веществе невелик, а энергия очень большая, то плотность ионизации на единицу длины пробега у них очень высока (на 1 см до десятка тысяч пар-ионов).
Бета-излучение - поток электронов или позитронов при радиоактивном распаде. Бета-частицы имеют массу, равную 1/1838 массы атома водорода, единичный отрицательный (бета-частица) или положительный (позитрон) заряды. Энергия бета-излучения не превышает нескольких Мэв. Пробег в воздухе составляет от 0,5 до 2 м, в тканях - 1- 2 см. Их ионизирующая способность ниже альфа-частиц (несколько десятков пар-ионов на 1 см пути).
Нейтроны - нейтральные частицы, имеющие массу атома водорода. Они при взаимодействии с веществом теряют свою энергию в упругих и неупругих столкновениях.
При взаимодействии корпускулярных излучений с веществом элементарные частицы передают свою энергию атомам тканей, вызывая их ионизацию и распад на противоположные заряженные частицы (ионы).
Протоны и α – частицы, имея большую массу, заряд и энергию, движутся в тканях прямолинейно и образуют густые скопления ионов.
Электрон, имея небольшую массу, проходит в тканях извилистый путь и изменяет направление движения под действием электрических полей атомов.
В зависимости от массы ядер и энергии нейтронов, последние делятся на быстрые и медленные. Быстрые нейтроны теряют энергию в результате столкновения с ядрами водорода или выталкивают протоны. Медленные и тепловые захватываются атомами легких элементов, таких как натрий, фосфор, хлор, и они становятся радиоактивными (так называемая наведенная радиоактивность).
Квантовое ионизирующее излучение
Представляет собой электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, частиц, не имеющих массы и заряда, но обладающих большой энергией и движущихся со скоростью света.
К квантовому ионизирующему излучению относят:
- γ- излучение
Рентгеновское излучение (тормозное; характеристическое)
γ-излучение - фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц. Обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность γ -излучения значительно меньше, чем у α- и β -частиц. γ -излучение обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах.
Рентгеновское излучение - фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, возникает в рентгеновских трубах, ускорителях электронов, с энергией фотонов не более 1 Мэв. Занимает область электромагнитного спектра между гамма- и ультрафиолетовым излучениями и представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 10 -14 до 10 -7 м.
А) Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц.
Б) Характеристическое излучение - это фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении электронами энергетических уровней.
Рентгеновское излучение, так же как и гамма-излучение, имеет высокую проникающую способность и малую плотность ионизации среды.
Основные свойства рентгеновских лучей
Невидимость - чувствительные клетки сетчатки глаза человека не реагируют на рентгеновские лучи, так как длина их волны в тысячи раз меньше, чем у видимого света;
Прямолинейное распространение – лучи преломляются, поляризуются (распространяются в определенной плоскости) и дифрагируют, как и видимый свет. Коэффициент преломления очень мало отличается от единицы;
Фотографическое действие - разлагают галоидные соединения серебра, в том числе находящиеся в фотоэмульсиях, что позволяет получать рентгеновские снимки;
Проникающая способность , на которой и основана рентгенодиагностика, зависит от плотности тканей. Так, костная ткань обладает наибольшей плотностью, а значит, и поглощающей способностью, поэтому при рентгенологическом исследовании даёт затемнение высокой интенсивности. Паренхиматозные органы также выглядят в виде затемнения, но они в 2 раза меньше задерживают рентгеновские лучи, и затемнение имеет среднюю интенсивность. Воздух не задерживает лучи и создаёт просветление, как, например, лёгочная ткань, которая представлена альвеолами, заполненными воздухом.
Люминесцирующее действие - вызывают люминесценцию ряда химических соединений (люминофоров), на этом основана методика рентгеновского просвечивания. Интенсивность свечения зависит от строения флюоресцирующего вещества, его количества и расстояния от источника рентгеновского излучения. Люминофоры используют не только для получения изображения исследуемых объектов на рентгеноскопическом экране, но и при рентгенографии, где они позволяют увеличить лучевое воздействие на рентгенографическую пленку в кассете благодаря применению усиливающих экранов, поверхностный слой которых выполнен из флюоресцирующих веществ;
Ионизирующее свойство заключается в том, что под действием рентгеновских лучей в любой среде, через которую они проходят, образуются ионы, по количеству которых судят о дозе излучения. На этом свойстве основан метод дозиметрии - измерение дозы с помощью различных видов специальных приборов - дозиметров. Дозиметрию осуществляют специальные ведомственные службы.
Биологическое или повреждающее действие на организм человека ионизирующих излучений вызывает необходимость защиты от него как персонала рентгеновских кабинетов, так и пациентов при осуществлении методов рентгенодиагностики. В то же время это свойство используют в лучевой терапии для лечения как опухолевых, так и неопухолевых заболеваний.
Закон обратных квадратов - для точечного источника рентгеновского излучения интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния до источника.
Типы взаимодействия фотонов с атомами среды:
А) Фотоэффект (при низких энергиях фотонов) – фотон вырывает электроны из атома, отдавая ему свою энергию.
Б) Комптоновское неупругое рассеяние электронов на атомах (с энергией до 1 МэВ) – как сам фотон, так и образуемые им электроны отдачи также вызывают ионизацию вещества. Фотон выбивает электрон, отдавая часть энергии и меняет свое направление. Эти оба эффекта обусловливают максимум поглощения энергии в поверхностном слое тканей (до 0,5 см), здесь образуется наибольшее количество вторичных электронов.
В) Образование пар элементарных частиц (при энергии больше 1 МэВ) – вызывает максимум актов ионизации в глубине тканей. Образуются электронно-позитронные пары. Сам фотон исчезает. Позитрон быстро теряет энергию и объединяется со встречным электроном. После чего обе частицы исчезают (аннигиляция) и вместо них возникают 2 фотона, которые расходятся в противоположные стороны. Их энергия в 2 раза меньше исходного фотона.
Единицы доз излучения
Поглощенная доза
Поглощенная доза (D) - величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:
В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея.
1 Гр - это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.
В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10 -2 Гр).
Эквивалентная доза
Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излучения характеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр - коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.
Ионизирующее излучение (ИИ) – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков. Излучение считается ионизирующим, если оно способно разрывать химические связи молекул. Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.
Радиоволны, световые волны, тепловая энергия Солнца не относятся к ионизирующим излучениям, так как они не вызывают повреждения организма путем ионизации.
Корпускулярное – это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы).
Фотонное – это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).
Альфа-излучение – это поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину несколько сантиметров, в биологической ткани – на глубину доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.
Бета-излучение – это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-частиц, но проникающая способность во много раз больше, и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Бета-излучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.
Протонное излучение – это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа и бета-излучением.
Нейтронное излучение – поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в пределах 0,025 –300 МэВ.
Гамма-излучение – электромагнитное излучение (длина волны 10 –10 –10 –14 м), возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде, аннигиляции частиц и при возбуждении атомов и их ядер, торможении частиц в электрическом поле. Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Большинство гамма-квантов проходит через биологическую ткань, и только незначительное количество поглощается телом человека.
Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое, как и гамма-излучения.
Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.
Аннигиляционное излучение – фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.
Фотонное излучение (оно же гамма оно же рентгеновское оно же тормозное оно же характеристическое). На самом деле это названия одного итого же излучения - фотонного, только при разных энергиях фотона и полученное разными способами.
При прохождении рентгеновских лучей через какое-нибудь твердое, жидкое или газообразное вещество они взаимодействуют с электронами, при очень большой жесткости и ядрами атомов элементов, входящих в состав вещества и при этом теряют часть своей энергии вследствие:
1) истинного поглощения, т.е. превращения их энергии в другие виды энергии;
2) рассеяния, т.е. изменения направления распространения лучей без изменения длины и с изменением длины волны.
Первичными элементарными процессами истинного поглощения рентгеновского излучения, т.е. преобразования их энергии в кинетическую энергию электронов являются:
а) фотоэлектрический эффект - вырывание электронов из атомов поглощающего вещества и сообщение им кинетической энергии (фотоэлектрическое поглощение);
б) комптон-эффект - когерентное и некогерентное рассеяние, т.е. с изменением длины волны и передачей части энергии рассеивающему электрону; Эффектом Комптона
называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и?-излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.
в) образование элементарных пар зарядов - электрона и позитрона - и сообщение им кинетической энергии. Образование пар электрон-позитрон играет определяющую роль в поглощении веществом гамма-квантов высокой энергии, а также, совместно с тормозным излучением,в возникновении так называемых электронно-фотонных ливней в космических лучах. Процессы Аннигиляция (рождения фотоном электрон-позитронной пары) и рождение пар других частиц нашли применение в научных исследованиях. Так, распределение возникающих при аннигиляции фотонов по их углам разлёта позволяет найти распределение электронов в металлах по скоростям (так как вероятность аннигиляции позитрона в веществе сильно зависит от относит. скорости позитрона н участвующего в тепловом движении электрона). Знание этого распределения необходимо, например, для расчёта удельной теплоёмкости металлов при очень низких температурах. Другой пример: по рождению электрон-позитронных пар можно получать сведения об образующихся в реакции фотонах большой энергии. Фотон, как и всякую другую незаряженную частицу, нельзя наблюдать непосредственно, так как он не оставляет видимого следа в детекторах частиц, таких, как камера Вильсона, пузырьковая камера, ядерная фотографическая эмульсия и др., и о его энергии, импульсе, а также о самом факте его образования можно узнать только по рожденной им паре (а для фотона меньшей энергии - по комптонопскому электрону отдачи, см. Комптон-эффект).
Первые исследования ионизирующего излучения были проведены в конце XIX в. В 1895 г. немецкий физик В.К. Рентген открыл «Х-лучи», названные впоследствии рентгеновским излучением. В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил следы естественной радиоактивности солей урана на фотографических пластинках. В 1898 г. супруги Мария и Пьер Кюри установили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов они назвали «радий» (Ra) (от лат. «испускающий лучи»).
Ионизирующее излучение – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Ионизирующие излучения подразделяются на корпускулярное и фотонное.
К корпускулярному излучению относятся: a, b-, протонные и нейтронные излучения.
a-излучение – это поток ядер гелия, образующихся при радиоактивном распаде. Они имеют массу 4 и заряд +2. К a-излучателем относятся около 160 природных и техногенных радионуклидов, большинство которых находятся в конце периодической системы элементов (заряд ядра > 82). a-частицы распространяются в средах прямолинейно, имеют незначительный пробег (расстояние, на котором частицы теряют свою энергию, взаимодействуя с веществом): в воздухе – менее 10 см; в биологических тканях 30-150 мкм. a - частицы обладают высокой ионизирующей и низкой проникающей способностью.
b-излучение – это поток электронов и позитронов. Их масса в десятки тысяч раз меньше массы a-частиц. К b-излучателям относятсяоколо 690 природных и техногенных излучателей. Пробег b-частиц составляет в воздухе несколько метров, а в биологических тканях - около 1 см. Они обладают более высокой, чем a - частицы, проникающей способностью, но меньшей ионизирующей.
Протонное излучение – поток ядер водорода.
Нейтронное излучение – поток ядерных частиц, не имеющих заряда с массой, близкой к массе протона. Свободные нейтроны захватываются ядрами. При этом ядра переходят в возбужденное состояние и делятся с выделением g-квантов, нейтронов и запаздывающих нейтронов. Благодаря запаздывающим нейтронам реакция деления в ядерных реакторах является управляемой. Нейтронное излучение обладает более высокой ионизирующей способностью, по сравнению с другими видами корпускулярного излучения.
Фотон – это квант энергии электромагнитного излучения высокой частоты. Фотонное излучение делится на рентгеновское и g-излучение. Они обладают высокой проникающей и малой ионизирующей способностью.
Рентгеновское излучение – это искусственное электромагнитное излучение, возникающее в рентгеновских трубках («Х – лучи»).
g-излучение – это электромагнитное излучениеестественного происхождения. g-лучи распространяются прямолинейно, не отклоняются в электрических и магнитных полях, имеют большой пробег в воздухе.
Непосредственно ионизирующее излучение – это излучение состоящее из заряженных частиц, например, a, b-частиц. Косвенно ионизирующее излучение – это излучение, состоящее из незаряженных частиц, например, нейтронов или фотонов. Они создают вторичное излучение в средах, через которые проходят.
Ионизирующее излучение описывается следующими физическими величинами
Активность вещества A определяется скоростью радиоактивного распада:
где: dN – число спонтанных ядерных превращений за время dt.
Единицы активности:
в системе СИ - Беккерель: 1 Бк = 1 расп/с
внесистемная единица – Кюри: 1 Ки = 3.7 . 10 10 расп/с, что соответствует активности 1 г. чистого Ra.
Период полураспада Т 1/2 – время, необходимое для уменьшения активности радионуклидов в 2 раза. Для U-238 Т 1/2 = 4,56 . 10 9 лет, для Rа-226 Т 1/2 = 1622 года.
Экспозиционная доза X – энергия ионизирующего излучения, вызывающая образование в воздухе заряда dQ одного знака в элементарном объеме, массой dm.
Единицы экспозиционной дозы:
в системе СИ 1 Кл/кг = 3880 Р.
внесистемная единица – Рентген: 1 Р
Поглощенная доза D определяется количеством поглощенной энергии dE на единицу массы облучаемого вещества dm.
Единицы поглощенной дозы:
в системе СИ Грей: 1 Гр
внесистемная единица 1 рад = 0,01 Гр
1 Р = 0.87 рад
1 рад = 1.14 Р
Название «рад» - от первых букв термина «radiation absorbed dose».
Эквивалентная доза H R показывает опасность различных видов радиационного облучения биологических тканей и равна:
где: W R – весовой коэффициент, отражающий опасность того или иного вида ионизирующего излучения для организма.
рентгеновское, g-излучение, b-излучение W R = 1;
нейтроны W R = 5-20;
a-частицы W R = 20.
Единицы эквивалентной дозы:
в системе СИ 1 Зв в честь шведского ученого Зиверта
внесистемная единица – 1 бэр = 0.01 Зв
бэр – биологический эквивалент рада.
Эффективная эквивалентная доза H E – это величина риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Разные органы и ткани имеют разную чувствительность к облучению. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения H R возникновение рака легких более вероятно, чем щитовидной железы. Поэтому, введено понятие эффективной эквивалентной дозы.
где: W T – весовой коэффициент для биологической ткани.
К фотонным ИИ относятся -излучение радиоактивных веществ, характеристическое и тормозное излучения, генерируемые различными ускорителями. ЛПИ фотонного излучения самая низкая (1-2 пары ионов на 1 см 3 воздуха), что определяет его высокую проникающую способность (в воздухе длина пробега составляет несколько сот метров).
-излучение возникает при радиоактивном распаде. Переход ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением -кванта с энергиями от 10 кэВ до 5 МэВ. Основными терапевтическими источниками -излучения являются -аппараты (пушки).
Тормозное рентгеновское излучение возникает за счет ускорения и резкого торможения электронов в вакуумных системах различных ускорителей и отличается от рентгеновского большей энергией квантов (от одного до десятков МэВ).
При прохождении потока фотонов через вещество происходит его ослабление в результате следующих процессов взаимодействия (тип взаимодействия фотонов с атомами вещества зависит от энергии фотонов):
Классическое (когерентное, или томпсоновское, рассеяние) - для фотонов с энергией от 10 до 50-100 кэВ. Относительная частота этого эффекта мала. Происходит взаимодействие, которое существенной роли не играет, так как падающий квант, столкнувшись с электроном, отклоняется, и его энергия не меняется.
Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) - при относительно малых энергиях - от 50 до 300 кэВ (играет существенную роль при рентгенотерапии). Падающий квант выбивает орбитальный электрон из атома, сам при этом поглощается, а электрон, немного изменив направление, улетает. Этот улетевший электрон называется фотоэлектроном. Таким образом, энергия фотона тратится на работу выхода электрона и на придание ему кинетической энергии.
Эффект Комптона (некогерентное рассеяние) - возникает при энергии фотона от 120 кэВ до 20 МэВ (т. е. практически весь спектр лучевой терапии). Падающий квант выбивает электрон с наружной оболочки атома, передавая ему часть энергии, и меняет свое направление. Электрон вылетает из атома под определенным углом, а новый квант отличается от первоначального не только иным направлением движения, но и меньшей энергией. Образовавшийся квант будет косвенно ионизировать среду, а электрон - прямо.
Процесс образования электронно-позитронных пар - энергия кванта должна быть больше 1,02 МэВ (удвоенной энергии покоя электрона). С этим механизмом приходится считаться при облучении больного пучком тормозного излучения высокой энергии, т. е. на высокоэнергетических линейных ускорителях. Вблизи ядра атома падающий квант испытывает ускорение и исчезает, преобразовываясь в электрон и позитрон. Позитрон быстро объединяется со встречным электроном, и происходит процесс аннигиляции (взаимного уничтожения), а взамен возникают два фотона, энергия каждого из которых вдвое меньше энергии исходного фотона. Таким образом, энергия первичного кванта переходит в кинетическую энергию электрона и в энергию аннигиляционного излучения.
Фото ядерное поглощение - энергия квантов должна быть больше 2,5 МэВ. Фотон поглощается ядром атома, в результате чего ядро переходит в возбужденное состояние и может либо отдать электрон, либо развалиться. Таким образом получаются нейтроны.
В результате вышеперечисленных процессов взаимодействия фотонного излучения с веществом возникает вторичное фотонное и корпускулярное излучение (электроны и позитроны). Ионизационная способность частиц значительно больше, чем фотонного излучения.
Пространственное ослабление пучка фотонов происходит по экспоненциальному закону (закону обратных квадратов): интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения.
Излучение в диапазоне с энергией от 200 кэВ до 15 МэВ нашло самое широкое применение в терапии злокачественных новообразований. Большая проникающая способность позволяет передавать энергию глубоко расположенным опухолям. При этом резко снижается лучевая нагрузка на кожу и подкожную клетчатку, что позволяет подвести требуемую дозу к очагу поражения без лучевого повреждения указанных участков тела (в отличие от мягкого рентгеновского излучения). С увеличением энергии фотонов больше 15 МэВ увеличивается риск лучевого поражения тканей на выходе из пучка.
Загрузка...
