Ионизирующие излучения. 
Ядерная медицина: физические и химические основы

В данной главе мы рассмотрим основные свойства ионизирующих излучений, используемых в медицине, и обсудим процессы их взаимодействия с веществом.

Виды ионизирующих излучений

Начнём с определения некоторых понятий.

Альфа-излучение — корпускулярное излучение, состоящее из а-частиц (ядер ⁴Не), испускаемых при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. Аннигиляционное излучение — фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, при взаимодействии р-электрона и /?⁺-позитрона).

Бета-излучение — корпускулярное излучение с непрерывным энергетическим спектром, состоящее из отрицательно заряженных электронов (рчастицы) или положительно заряженных позитронов (р*-частицы) и возникающее при радиоактивном Р-распаде ядер или нестабильных элементарных частиц. Характеризуется граничной (максимальной) энергией электронов (позитронов). Гамма-излучение — фотонное излучение, возникающее при ядерных превращениях или аннигиляции частиц (диапазон энергий от десятков кэВ до нескольких МэВ).

Ионизирующее излучение" (радиация) — вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций (видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям).

Корпускулярное излучение — ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля (a-, fi-частиц, нейтронов и др.).

Косвенно ионизирующее излучение — ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения (косвенно ионизирующее излучение может состоять из нейтронов, фотонов и др.).

Нейтронное излучение — поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.

Протонное излучение — излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтронно-дефицитных атомных ядер или как пучок на выходе ионного ускорителя (например, синхрофазотрона).

Рентгеновское излучение — фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемое, например, рентгеновскими трубками. Занимает спектральную область между гаммаи ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн мгз+юо нм (ю ^{, 2}+ю-5 см). Энергетический диапазон ЮО эВ-ю, 1 МэВ. Рентгеновские лучи с длиной волны менее 0,2 нм (Е>50 кэВ) называются жёсткими, с длиной волны более о, 2 нм (E

Синхротронное (или магнитотормозное) излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями. Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле, характеризуется непрерывным энергетическим спектром. Иногда в понятие тормозного излучения включают также излучение релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных полях (синхротронное излучение).

Фотонное излучение — электромагнитное косвенно ионизирующее излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение — фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

Табл. 1. Свойства некоторых видов корпускулярной радиации.

К ионизирующим излучениям относят фотоны электромагнитного излучения (уи рентгеновское излучение с длиной волны менее 20 нм) и корпускулярные излучения. Фотонное излучение с энергией от 50 эВ до 500 эВ называют рентгеновским излучением, а при более высоких энергиях — гамма-излучением. Ионизирующее электромагнитное излучение может быть у-излучением, сопутствующим p-распаду или возникшем при аннигиляции позитронов, а может быть рентгеновским тормозным или характеристическим излучением.

Электролтгнитное излучение — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля (т. е. взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Электромагнитное излучение — комбинация электрического и магнитного полей, синусоидально изменяющихся в пространстве и времени. Скорость движения волны, и [м/с], связана с длиной волны, Л [м], и частотой колебаний, v [l/c]: и-Л-v, а так как и обычно постоянна, то v=c/A, с=з-ю⁸ м/с — скорость света.

Энергия электромагнитного излучения (эВ):

где h=6,626−10−34 Джс=4,135Ю^,5 эВс.

Электромагнитное излучение имеет широкий спектр энергий и различные источники: у-излучение атомных ядер и тормозное излучение ускоренных электронов, радиоволны и др. (табл. 1, рис. l). На шкале электромагнитных волн у-излучение граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и др. Гамма-излучение обладает малой длиной волны (Лею нм) и ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведёт себя подобно потоку частиц (у-квантов, или фотонов) с энергией /iv.

В медицине широко применение находит тормозное излучение, возникающее при прохождении ускоренных электронов в среде. В зависимости от энергии возникающего электромагнитного излучения его относят к рентгеновскому излучению (энергии десятки и сотни кэВ) или к у-излучению (энергии единицы или десятки МэВ, но на ускорителях достигают энергий в несколько десятков ГэВ). Излучение рентгеновского диапазона обычно получают с помощью рентгеновских трубок.

Интенсивность тормозного излучения пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы. Так как ускорение обратно пропорционально массе частицы, то в одном и том же поле тормозное излучение электрона в миллионы раз мощнее излучения протона. Поэтому чаще всего используется тормозное излучение, возникающее при рассеянии электронов в электростатическом поле атомных ядер и электронов.

Рис. 1. Параметры электромагнитных излучений (представлены интервалы энергий, представляющих интерес для медицины).

Спектр фотонов тормозного излучения непрерывен и обрывается при максимально возможной энергии, равной начальной энергии электрона. Так как интенсивность тормозного излучения пропорциональна Z², то для увеличения выхода фотонов тормозного излучения в электронных пучках используются мишени из веществ с большими Z.

К корпускулярному ионизирующему излучению относят a-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (а-, (3-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении с ними, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны сами не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят. Нейтронное излучение относят к косвенно ионизирующим излучениям.

Нейтроны существенно различаются по своим энергиям. Для энергетической характеристики нейтронного излучения используют понятие спектра нейтронов. Нейтроны квалифицируют по скорости движения:

• — Релятивистские нейтроны, с энергией более 10^ю эВ;
• — Быстрые нейтроны, с энергией больше o. i МэВ (иногда больше i МэВ)
• — Медленные нейтроны — нейтроны с энергией менее юо КэВ. или по «температуре»:
• — Надтепловые нейтроны, с энергией от 0.025 до 1 эВ;
• — Горячие нейтроны, с энергией порядка 0.2 эВ;
• — Тепловые нейтроны, с энергией примерно 0,025 эВ;
• — Холодные нейтроны, с энергией от 510−5 эВ до 0.025 эВ;
• — Очень холодные нейтроны, с энергией 2*10-? — 5*10−5 эВ;
• — Ультрахолодные нейтроны, с энергией менее 2*10-? эВ.

Взаимодействие нейтронов с атомами является слабым, что позволяет нейтронам глубоко проникать в вещество.

Электронное излучение — обычно пучок электронов на выходе электронного ускорителя. Оно характеризуется средней энергией излучения и дисперсией (разбросом), а также шириной пучка. Специальными мерами можно получить моноэнергетический узкий пучок высокоэнергетических электронов.

Бета-излучение сопровождает самый распространенный тип радиоактивного распада ядер — p-распад. Так как скорость р-частиц значительно выше скорости а-частиц, они реже взаимодействуют с атомами среды; плотность ионизации на единицу пробега у них в сотни раз ниже, чем у а-частиц, а пробег в воздухе достигает ю м. В биологической мягкой ткани пробег равен 10+12 мм. Поглощается такое излучение слоем алюминия толщиной 1 мм. В отличие от электронного излучения, p-излучение сопровождается потоком антинейтрино для электронов и нейтрино для позитронов. Позитронное излучение сопровождается ещё и аннигиляционным у-излучением (с энергией 0,51 и/или 1,02 МэВ).