Особенности взаимодействия ионизирующих излучений с биологической тканью

При бомбардировке воды электронами или тяжелыми частицами (ионами и протонами) в результате электрического взаимодействия с атомами имеет место электронная эмиссия. Среди эмитированных электронов присутствуют 8-электроны, обладающие энергией, достаточной для того, чтобы вызвать ионизацию других молекул.

Дельта-электроны — электроны, выбиваемые из электронных оболочек атомов быстрыми заряженными частицами, движущимися через вещество.

Работа, необходимая для образования пары ион-электрон, равна.

30 эВ, поэтому при энергии падающего электрона — 1 МэВ общее число вторичных электронов составит 3-Ю4. Именно эти электроны обусловливают воздействие ионизирующих излучений на вещество. Участие дельтаэлектронов в процессах ионизации и возбуждения придает особый характер распределению ионов и возбужденных молеку^гл в объеме облучаемого вещества.

Рис. 11. Иллюстрация результатов моделирования методом Монте-Карло эмиссии 6-электронов.

В пределах трека передача энергии веществу происходит не равномерно, а порциями, зависящими от вида столкновения частицы с молекулой. На рис. ю показаны типы структур пространственного распределения промежуточных активных частиц (ионы и возбужденные молекулы) — шпоры, блобы, короткие и разветвленные треки.

Примерно половина энергии заряженной частицы расходуется порциями менее юо эВ. Такие потери приводят к возникновению небольших областей ионизации и возбуждения (шпора) вдоль трека. Шпора представляет собой сферу диаметром 2 нм в жидкостях и юо нм в газе и содержит либо одиночную пару зарядов, либо несколько частиц (в среднем з иона и з возбужденные молекулы). Расстояние между шпорами зависит от вида падающей частицы и её энергии. Для ускоренных электронов это расстояние значительно и составляет ~ю² нм в жидкости и 104 нм в газе. Другая половина потерь энергии ускоренного электрона обусловлена «лобовыми» столкновениями. При этом возникают вторичные электроны, имеющие энергию от нескольких сотен электрон-вольт до о, 5Е₀ — энергии первичного электрона. Вторичные электроны с энергиями от юо до 500 эВ образуют локальные области ионизации, которые содержат до 20 ионов — блобы. Здесь вторичные электроны рождают третичные электроны, третичные — электроны четвертого поколения и т. д., которые характеризуются малыми величинами пробегов и не могут далеко уйти от места своего образования. Если энергия вторичных электронов составляет 500*5000 эВ, то перекрытие образующихся шпор создает структуру с цилиндрической симметрией («короткий трек»). Электроны с энергией 5000 эВ образуют разветвлённые треки. Здесь шпоры расположены далеко друг от друга. Для тяжёлых заряженных частиц структура треков такая же, как и для быстрых элекгронов. Однако шпоры здесь расположены очень близко друг к другу. Поэтому они сразу же после своего образования сливаются в сплошную цилиндрическую колонку.

Эмиссии 6-электронов ионным пучком имеет ряд особенностей: вдоль плато кривой Брэгга эмиссия 6-электронов минимальна и характеризуется их единичным образованием. На пике Брэгга плотность 6-электронов ощутимо возрастает и достигает максимума на вершине пика.

Подавляющее большинство 6-электронов в районе пика Брэгга являются низкоэнергетичными: 5*50 эВ. Именно ими создаются повреждения ДНК. Высокоэнергетичные электроны, с энергией ~юоо эВ вызывают каскады менее энергетичных 6-электронов.

Рис. 12. Модель эмиссии низкои высокоэнергетичных 6-электронов.

Обычно интенсивность протонного пучка на порядок выше ионного (^{, 2}С), но ионизационная эффективность пучка ионов выше протонного. Пучки ускоренных ионов ^{, 2}С более перспективны для лучевой терапии, чем протонные пучки, а протонные пучки эффективнее фотонных.