Ионизирующее излучение. 
Ионизирующее излучение

I. Ионизирующее излучение (ИИ) — это поток частиц и электромагнитных квантов (фотонов), взаимодействие которых с любым веществом независимо от его химического состава и агрегатного состояния, приводит к ионизации атомов и молекул.

Различают непосредственно ионизирующее излучение, т. е. излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении с атомами среды. Косвенно ионизирующее излучение — состоит из незаряженных частиц, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и/или вызывать ядерные превращения.

Виды ИИ

• 1) Фотонное ИИ — включает гамма-излучение радиоактивных изотопов, характеристическое и тормозное рентгеновское излучение.
• 2) Корпускулярное ИИ — это потоки положительно заряженных частиц (протонов, дейтронов, альфа-частиц и ядер радиоактивных элементов, образующихся в результате ядерных превращений), потоки отрицательно заряженных частиц (бета-излучение, потоки ускоренных электронов) и потоки нейтральных частиц (нейтронов).

II. Характеристика взаимодействия ИИ с веществом.

• 1) Средняя удельная ионизация (S) — среднее число пар ионов, образованных на единице длины пробега частицы (обычно на 1 см).
• 2) Линейная передача энергии (ЛПЭ) — энергия, переданная частицей веществу, отнесенная к единице длины пробега (ЛПЭ=dE/dl)
• 3) В результате взаимодействия ИИ с веществом энергия ионизирующих частиц уменьшается до тех пор, пока она становится соизмеримой с энергией теплового движения молекул. При этом частицы проходят определенный путь в веществе, с которым они взаимодействуют. Этот путь характеризуется средней длиной свободного пробега в данном веществе R ионизирующий излучение корпускулярный протонный

Все эти величины связаны между собой. Чем больше S, тем больше величина ЛПЭ и тем меньше R. Они зависят от массы, заряда, энергии частицы и свойств вещества поглотителя.

III. Корпускулярное ИИ — это потоки положительно заряженных частиц. К этому виду излучения относятся альфа-частицы, протоны, дейтроны, тяжелые ядра и их осколки. Эти частицы характеризуются наибольшей массой и зарядом по сравнению с другими вилами ИИ. Их траектории прямолинейны, поэтому длина траектории и средняя длина свободного пробега равны между собой (R=R).

Глубина проникновения.

Ионизация, создаваемая положительно заряженными частицами, неравномерна вдоль трека частицы. Средняя удельная ионизация возрастает вдоль пути частицы, образуя в конце пробега так называемый «пик Брэгга» (рис. 1). Плотность ионизации в области пика в сотни раз превышает плотность в начале пути. Это объясняется тем, что, замедляясь, «тяжелые» частицы взаимодействуют с веществом со значительно больше вероятностью.

Положение пика Брэгга зависит от энергии частиц — чем больше энергия, тем на большей глубине он локализован. Рассмотрим некоторые основные типы излучения, относящиеся к данному классу.

Рисунок 1. Кривая пика Брэгга.

Альфа-излучение возникает в результате альфа-распада ряда радиоактивных элементов. Указанный вид распада характерен для тяжелых ядер. Схема распада имеет следующий вид:

Конкретные примеры реакций альфа-распада:

Энергетический спектр альфа-частиц — линейчатый. Энергия практически постоянна для данного альфа-активного изотопа и находится в пределах от 4 до 9 МэВ. Длина свободного пробега альфа-частицы в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мышечной ткани ~10^-3 см. Это определяет относительно малую радиационную опасность альфа-частиц при наружном облучении.

Протонные пучки (поток ускоренныз протонов —). Наличие пика Брэгга и возможность «управления» его локализацией на поределенной глубине создает благоприятные возможности для использования протонных пучков высоких энергий в лучевой терапии. В настоящее время существуют различные устройства, с помощью которых из плазменного шнура, горящего в водородной атмосфере, «извлекаются» свободные от электронов ядра водорода — протоны. Они ускоряются в циклических ускорителях, приобретая требуемую и регулируемую энергию.

Основные преимущества использования протонных пучков:

• — формирование нерасходящихся пучков
• — возможность подведения необходимого кол-ва энергии на любую заданную глубину, соотв. Зоне Брэгга.

При этом ткани практически не повреждаются. Участок зоны Брэгга для протонов мал, но использование пучка с различными энергиями позволяет охватить весь очаг поражения.

IV. Потоки отрицательно заряженных частиц

К этому виду излучения относятся бета-излучение радиоактивных изотопов, потоки ускоренных электронов и П-мезоны. Основной вид взаимодействия с веществом — ионизация атомов и молекул. При торможении быстрых электронов (в том числе и бета-частиц) в поле ядра возникает тормозное фотонное излучение.

Бета-излучение — это излучение, возникающее в результате внутриядерных превращений нейтронов и протонов.

Распад ядер, сопровождающийся испусканием электронов, является наиболее интересных видом бета-распада для медико-биологических процессов.

Общая схема распада:

Конкретные примеры реакций бета-распада:

Где v — обозначение антинейтрино. В отличие от альфа-частиц, бета-частицы характеризуются непрерывным энергетическим спектром. Для любых электронов характерным является их рассеяние на атомах поглощающего вещества. Траектория электронов вследствие рассеяния на электронах атомов представляет собой ломаную линию. По отношению к электронам можно говорить о средней длине свободного пробега (R).

Проникающая способность бета-частиц на два порядка выше, чем у альфа-частиц. В воздухе она составляет несколько метров, в мышечных тканях ~10 миллиметров. Бета-активные препараты используются чаще всего при лечении злокачественных опухолей, локализация которых позволяет обеспечить непосредственный контакт с этими препаратами. Значительно реже они используются для диагностики. Их локализация в теле человека обнаруживается экспериментально по тормозному излучению, возникающему в результате взаимодействия электронов с атомными ядрами облучаемого вещества.

Электронные пучки высоких энергий. С помощью современных ускорителей создаются электронные пучки с энергией до 15−50 МэВ, обладающие большой проникающей способностью.

Рисунок 2. Ионизация тканей электронным пучком.

Средняя длина свободного пробега таких электронов достигает в биологических тканях 10−20 см. Электронный пучок, поглощаясь в тканях, создает дозное поле, отличающее этот вид излучения от других. Максимум ионизации при этом образуется вблизи поверхности тела и удерживается на расстоянии, равно от трети до половины величины среднего пробега электронов.

Размеры зоны максимума напрямую зависят от величины энергии излучения. За пределами максимума происходит быстрый спад дозы. Электронный пучок с энергией до 5 МэВ используется при лечении поверхностных злокачественных новообразований, а с энергией от 20−50 МэВ — глубоко расположенных.