Виды ионизирующих излучений

1. Корпускулярные

2. Электромагнитные (фотонные).

Корпускулярное излучени е - ионизирующее излучение, состоящее из частиц:

§ заряженных (альфа-, бета-частиц, протонов и т.д.)

§ незаряженных (нейтроны)

Электромагнитное (фотонное) - включает гамма- и рентгеновское излучение.

Любое ионизирующее излучение характеризуется энергией E, измеряемой в электронвольтах (эВ). Электронвольт - энергия, которую приобретает электрон при ускорении в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Для характеристики ионизирующих излучений используются производные величины - килоэлектронвольт (КэВ, 1 КэВ = 10³ эВ), мегаэлектронвольт (1 МэВ = 10⁶ эВ).

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), состоящих из 2-х протонов и 2-х нейтронов и имеющих атомную массу 4 и заряд +2. Основной источник гамма-излучения - радиоактивный альфа-распад. Известно более 200 альфа-излучателей, большинство из них - естественные радионуклиды семейства урана, радия и тория.

Диапазон энергий для альфа-частиц составляет от 4 до 9 МэВ, альфа-излучение, как правило, сопровождается излучением гамма-квантов с энергией от 0,036 до 2,76 МэВ.

При взаимодействии альфа-частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды. Альфа-излучение характеризуется высокой линейной плотностью ионизации (ЛПИ) и линейной передачей энергии (ЛПЭ). ЛПИ - это число пар ионов, образующихся на единице длины пробега частиц (пар ионов/мкм). ЛПЭ - количество энергии, переданной веществу заряженной частицей на единице длины ее пробега (КэВ/мкм). Ионизирующее излучение, у которого ЛПЭ менее 10 КэВ/мкм, относится к редкоионизирующим, а более 10 КэВ/мкм – к плотноионизирующим излучениям. В среднем ЛПЭ для альфа-частиц в биологических тканях составляет 100 КэВ/мкм, что значительно выше, чем для других заряженных частиц. Поэтому альфа-излучение относится к плотноионизирующим и альфа-частица имеет незначительную проникающую способность: в воздухе - до 3 см, в мышечной ткани, воде - около 50 мкм, в костной ткани, алюминии - около. 17 мкм. Внешнее облучение альфа-частицами не представляет опасности, поскольку последние не проникают глубже отмирающих слоев кожного эпителия. Очень опасно внутреннее альфа-облучение при инкорпорировании радионуклидов. Защита при работе с альфа-излучателями должна быть направлена на исключение любой потенциальной возможности попадания радиоактивных веществ в организм с вдыхаемым воздухом, пищей и водой.

В отличие от альфа-излучающих радионуклидов, бета-излучатели рассеяны по всей таблице Менделеева, начиная от водорода и до трансурановых элементов. Средняя энергия бета-частиц ≤ 3 МэВ. При прохождении бета-частиц через вещество имеют место упругие и неупругие взаимодействия с атомами среды. Упругие взаимодействия заключаются в том, что сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц после взаимодействия остается неизменной. При неупругом взаимодействии часть энергии взаимодействующих частиц передается образовавшимся свободным частицам или квантам (неупругое рассеивание, ионизация и возбуждение атомов, возбуждение ядер, тормозное излучение). По радиобиологическим характеристикам бета-излучение относится к редкоионизирующим, удельная плотность ионизации примерно в 1000 раз меньше, чем у альфа-излучения. Несмотря на это, внешнее облучение бета-частицами представляет опасность для человека. Критические органы - кожа и хрусталик глаза. Пробег бета-частиц в воздухе - до 11 м, в мышечной ткани, воде - около 17 мм, в костной ткани, алюминии - 5,5 мм. При взаимодействии бета-излучения с веществом возникает тормозное электромагнитное излучение. Выход его пропорционален атомному номеру и плотности вещества, поэтому для защиты используют вещества с малым атомным номером - алюминий, органическое стекло, воду. При высокой активности бета-источника тормозное излучение может быть настолько интенсивным, что требуется защита и от него, т.е. к легкому материалу защиты от бета-излучения необходимо добавить еще один слой из тяжелых материалов, например, свинца.

Рентгеновское и гамма-излучения относятся к электромагнитным. Рентгеновское представляет собой совокупность характеристического и тормозного излучений (характеристическое излучение испускается при изменении энергетического состояния атома, тормозное - при изменении кинетической энергии заряженных частиц). Возникает в защите источников бета-излучения, рентгеновских трубках, ускорителях электронов и т.д.

R-излучение получают в рентгеновской трубке при торможении электронов. Катод с нитью накала испускает электроны, которые ускоряясь в электрическом поле, тормозятся на аноде. При торможении происходит преобразование энергии, причем 98-99% ее переходит в тепловую (нагрев анода), а 1-2% преобразуется в тормозное излучение (в данном случае - рентгеновское). Мощность дозы тормозного R-излучения зависит от:

· силы тока

· материала анода (атомного номера)

· напряжения на трубке

Источниками R-излучения являются все электровакуумные приборы высоких напряжений, телевизионные трубки, мониторы, усилительные лампы, приборы СВЧ-диапазона, электронно-лучевые установки для резки и сварки металлов в вакууме (неиспользуемое R-излучение), а также ускорительные устройства, работающие на тормозный пучок, микротроны, линейные ускорители и, конечно, рентгеновские трубки (используемое R-излучение).

Гамма-излучение возникает при:

· радиоактивном распаде (бета- и альфа-распады);

· аннигиляции электронов и позитронов;

· делении ядер - при этом осколки находятся в возбужденном состоянии, следствием чего является испускание гамма-квантов;

· взаимодействии нейтронов с веществом.

Принципы взаимодействия рентгеновского и гамма-излучений с веществом идентичны. Эти излучения называют косвенноионизирующими, т.к. процесс ионизации опосредован через ряд первичных эффектов, основными из которых являются:

1. Фотоэффект - вместо фотона после его взаимодействия с веществом излучается электрон (при низкой энергии (1 – 500 КэВ) кванта). Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона. Свободный электрон, ассоциируясь с нейтральным атомом, порождает отрицательный ион.

Рис. 2. Схема фотоэффекта

Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения. Его вклад во взаимодействие пропорционален Z ядер атомов (~Z³).

2. С повышением энергии излучения вероятность фотоэффекта очень быстро уменьшается, и для излучений с энергией около 1 МэВ, его вкладом во взаимодействие можно пренебречь; главную роль при этом играет другой способ размена энергии – эффект Комптона.

Комптоновский эффект – энергия кванта частично поглощаются веществом, в результате образуется электрон и рассеянное излучение, энергия которого всегда меньше энергии первичного излучения. При этом эффекте происходит рассеяние падающего фотона излучения электроном атома, которому передается лишь часть энергии фотона.

Рис. 3. Схема Комптон-эффекта

Так как направление движения фотона отличается от первона­чального, то говорят о рассеянии фотона на электроне. В дальнейшем фотон может вновь претерпевать Комптон-эффект и т. д.

Поэтому в отличие от фотоэлектронов энергия электронов отдачи, образующихся при эффекте Комптона, изменяется в широких пределах (от нуля до некоторого максимального значения). Средняя их энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения. Доля энергии, поглощенной комптоновскими электронами, в общем количестве поглощенной энергии увеличивается с жесткостью излучения.

3. Наконец, третий вид взаимодействия излучения с веществом - эффект образования заряженных пар - характеризуется возможностью превращения γ -кванта большой энергии (>1,02 Мэв) в пару частиц - электрон и позитрон. Энергия гамма-кванта преобразуется в энергию заряженных частиц - электрона и позитрона (при большой энергии гамма-кванта). Этот процесс вызывается столкновением γ-кванта с какой-либо заряженной частицей, например атомным ядром, в поле которой и образуется электронно-позитронная пара. Относительный вклад этого вида взаимодействия изменяется пропорционально Z³ и поэтому для тяжелых элементов он больше, чем для легких.

Рис. 4. Схема образования электронно-позитронных пар

Следовательно, в зависимости от энергии падающего излучения преобладает тот или иной вид его взаимодействия с веществом. В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия используемого электромагнитного излучения находится в диапазоне 0,2–2 МэВ, поэтому наибольшей вероятностью обладает Комптон-эффект.

По радиобиологической характеристике R- и гамма-излучения относятся к редкоионизирующим. Это проникающие излучения, имеют большие значения длины свободного пробега, который зависит от энергии излучения (в воздухе - до несколько км, в теле человека ослабляется в 3-4 раза). Средняя длина их пробега в веществе зависит также от его плотности. Она минимальна в материалах, подобных свинцу, используемых обычно в качестве защитных экранов.Защита от проникающего излучения основана на использовании материалов, содержащих тяжелые элементы - свинец, обедненный уран. Для стационарной защиты применяется монолитный гидратированный бетон, в рентгеновских кабинетах - баритовая штукатурка.

Нейтроны. В отличие от заряженных частиц, нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов; достигая ядер, они либо поглощаются ими, либо отталкиваются от них. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь 10–15% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода – протонами, энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи. Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода, – графит, вода, парафин – используют для защиты от нейтронного излучения; в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются.

В результате такого упругого рассеяния образуются сильно ионизирующие протоны больших энергий. Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, α-частицы и фотоны γ-излучения, также способные производить ионизацию. При таких ядерных реакциях могут образоваться радиоактивные изотопы элементов и возникнуть наведенная радиоактивность, в свою очередь тоже вызывающая ионизацию. Ионизируют вещество, наконец, и сами ядра отдачи, возникающие при ядерных превращениях.

Таким образом и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или фотонами.

Следовательно, преимущественный вклад того или иного вида ядерного взаимодействия нейтронов зависит от их энергии, а так­же от состава облучаемого вещества. По величине энергии разли­чают четыре вида нейтронов.

1. Быстрые нейтроны – с энергией более 100 кэВ.

К быстрым относят прежде всего нейтроны деления, образующиеся в ядерных реакторах при делении ядер U, a также при спонтанном распаде ²⁵²Cf. Нейтроны деления обладают широким спектром энергий с модальной величиной 1 МэВ. Быстрые нейтроны получают и в циклотронах в результате бомбардировки дейтронами (ускоренными до энергии в несколько МэВ) бериллиевой мишени. В зависимости от энергии дейтронов образуются нейтроны соответствующих энергий. Наконец, в результате ядерной реакции, возникающей при облучении тритиевой мишени пучками дейтронов, ускоренных до энергии около 300 кэВ, образуются практически моноэнергетические нейтроны с энергией 14 МэВ.

2. Промежуточные нейтроны имеют энергию от 100 до 1 кэВ.

3. Энергия медленных нейтронов – меньше 1 кэВ.

4. Тепловые нейтроны обладают энергией теплового движения, которая составляет при комнатной температуре всего около 0,025 эВ.

Наибольшее практическое значение в радиобиологии имеют быстрые нейтроны. Все остальные, однако, образуясь по мере замедления в тканях быстрых нейтронов, также вносят свой вклад в общий процесс поглощения энергии.

Нейтроны относят к плотноионизирующим излучениям, так как протоны отдачи обладают выраженной ионизирующей способностью, а ЛПЭ более 10 кэВ/мкм. Однако их возникновение происходит на большой глубине из-за высокой проникающей способности нейтронов.

Итак, все виды ионизирующих излучений сами или опосредованно вызывают возбуждение или ионизацию атомов и молекул биосистем. Однако при облучении объектов разными видами ионизирующей радиации в равных дозах возникают количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты, что связано с пространственным распределением выделяющейся при взаимодействии энергии в облучаемом микрообъеме, т. е. с ЛПЭ и с характером взаимодействия.