Глава 1. Физические основы радиационной медицины

1.2. Виды ионизирующих излучений, их характеристики и взаимодействие с веществом

Ионизирующие излучения – это излучения, вызывающие при взаимодействии с веществом ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Важной особенностью большинства видов ионизирующих излучений является их высокая проникающая способность, а отсюда способность взаимодействовать с атомами вещества в глубине объекта. По своей физической природе все ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные излучения (рис. 3). Фотоны электромагнитного излучения, энергия которых более 17 эВ (длина волны менее 7,3·10^–8 м), способны ионизировать атомы и поэтому их относят к ионизирующим излучениям. Основные характеристики ионизирующих частиц сведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные характеристики ионизирующих частиц [13]

Рис. 3. Шкалы электромагнитного излучения [13] (λ – длина волны, f – частота колебаний, Е – энергия фотонов).

К электромагнитным излучениям относятся рентгеновское и γ-излучение, представляющие собой энергию электромагнитного поля, которая распространяется в пространстве со скоростью света. В зависимости от источника образования электромагнитные излучения подразделяются на тормозное, характеристическое и γ-излучение. Тормозное излучение возникает при замедлении в электрическом поле (например окружающем атомные ядра) ускоренных заряженных частиц. Характеристическое излучение обусловлено энергетическими перестройками внутренних электронных оболочек возбужденных атомов, а γ-излучение является продуктом ядерных превращений радиоактивных элементов (радиоизотопов). Совокупность тормозного и характеристического излучений называют рентгеновским излучением (в англоязычной литературе чаще употребляют термин «Х-излучение»). В земных условиях оно всегда имеет искусственное происхождение, в то время как γ-излучение может иметь как искусственное, так и естественное происхождение. Спектры рентгеновых и γ-лучей перекрываются, нет принципиальных различий между ними и по физическим свойствам.

К корпускулярным излучениям относятся электроны и позитроны (βчастицы), протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра дейтерия), α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы (ядра других элементов), не имеющие заряда нейтроны и отрицательно заряженные мезоны, в частности π-мезоны, имеющие значительную перспективу использования в радиационной онкологии. Отличительной особенностью корпускулярного излучения является то, что частицы обладают большим запасом кинетической энергии и способны с высокой скоростью перемещаться в пространстве, вызывая возбуждение и ионизацию атомов.

Более удобно подразделять ионизирующие излучения по особенностям их взаимодействия с веществом. В этом случае различают электрически нейтральные излучения (рентгеновы, γ-лучи и нейтроны) и ускоренные заряженные частицы (все остальные, помимо нейтронов, разновидности корпускулярного излучения). Ускоренные заряженные частицы – это перемещающиеся в пространстве источники электрического поля (поток электронов – β-частиц, протонов, ядер атома гелия – α-частиц и др.). Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются некоторые из природных радиоизотопов. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц.

Ионизация и возбуждение атомов вещества является следствием взаимодействия ускоренной заряженной частицы с электронными оболочками этих атомов. Под действием электрического поля ускоренной заряженной частицы происходит возмущение электронных оболочек атомов с переходом в возбужденное или ионизированное состояние. Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первично или прямо ионизирующие излучения. Рентгеновское и γ-излучение, как и нейтроны, относятся к косвенно ионизирующим излучениям, так как они возбуждают и ионизируют атомы и молекулы не сами, а посредством инициируемых ими ускоренных заряженных частиц (комптоновских электронов, ядер отдачи и т. п.).

Первичные изменения атомов и молекул качественно не зависят от вида действующего на них ионизирующего излучения. При одном и том же количестве энергии, поглощенной единицей массы вещества, микропространственное распределение этой энергии в облученном объеме различно. Это различие определяется линейной передачей энергии (ЛПЭ) – средним количеством энергии, передаваемой частицей веществу в среднем на единицу длины пройденного в нем пути:

ЛПЭ = dE / dx,

где Е – энергия частицы, эВ; х – длина пробега частицы в веществе, мкм.

Поскольку по мере прохождения частицы через вещество ее энергия снижается, а с уменьшением энергии возрастает ЛПЭ, в конце пробега заряженной частицы создается наибольшая плотность ионизации (пик Брэгга), иными словами – поглощается наибольшая доза. Это свойство используется в практике лучевой терапии, когда хотят подать на опухоль, находящуюся на определенной глубине, большую дозу при минимальном повреждении тканей, находящихся по ходу пучка перед опухолью и за ней. Варьируя энергию заряженных частиц, можно добиться, чтобы пик Брэгга пришелся на нужную глубину.

Скоростью потери энергии определяется еще одно важное свойство ионизирующих излучений – проникающая способность. Глубина проникновения ионизирующих излучений зависит, с одной стороны, от состава и плотности облучаемого объекта, а с другой стороны – от природы и свойств излучения (рис. 4). Она прямо пропорциональна энергии, массе и квадрату скорости частицы, обратно пропорциональна – абсолютной величине заряда. Чем больше величина ЛПЭ, тем меньше проникающая способность излучения в данном веществе.

Рис. 4. Проникающая способность разных видов ионизирующих излучений.

За меру проникающей способности для ускоренных заряженных частиц принимают расстояние, на котором частица замедляется до энергии, близкой к средней энергии теплового движения. Излучения с высокой проникающей способностью называют «жесткими». Если же проникающая способность мала, то такое излучение будут называть «мягким». Однако эти термины весьма относительны, так как, например, β-излучение по сравнению с α-частицами будет жестким, а по сравнению с γ-лучами – мягким.

В зависимости от величины ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим относят все виды излучения, имеющие ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм: β-частицы, γ- и рентгеновы лучи, ионизирующее действие которых также осуществляется электронами. К плотноионизирующим (ЛПЭ более 10 кэВ/мкм) относят протоны, α-частицы и другие тяжелые частицы, а также нейтроны, биологическое действие которых реализуется за счет вторичных ускоренных заряженных частиц.

Редкоионизирующие виды излучений отличаются сравнительно высокой проникающей способностью, а плотноионизирующие (за исключением нейтронов) проникают в ткани на небольшую глубину.

Так, α-частицы обладают очень низкой проникающей способностью. Даже в воздухе их пробег равен нескольким сантиметрам, а более плотные вещества (например, ткань или бумага) непроницаемы для α-частиц при толщине в доли миллиметра. Поток α-частиц, падающий на тело человека, из-за малой проникающей способности целиком поглощается в верхних слоях кожи. Вследствие этого α-излучение при внешнем радиационном воздействии совершенно безопасно для человека. Однако если αизлучающий изотоп попадет с пищей, водой или воздухом внутрь организма, то опасность будет весьма велика, так как испускаемые изотопом внутри тканей α-частицы вызовут очень сильную ионизацию атомов и молекул, а следовательно, сильное повреждение биологических субстратов, в которых непосредственно поглощается энергия.

Проникающая способность β-частиц примерно в сто раз больше, чем αчастиц. В воздухе они проходят несколько метров, в твердых средах – несколько миллиметров. В связи с этим β-частицы представляют определенную опасность для жизни и здоровья людей не только при их попадании внутрь организма, но и при их аппликации на кожные покровы и слизистые оболочки, вследствие чего могут развиться серьезные местные лучевые поражения.

Проникающая способность рентгеновского и γ-излучения очень велика. Они глубоко проникают даже в плотные среды, а тело человека «пронизывают» насквозь. Например, γ-кванты с высокой энергией могут проходить через слой земли или бетона толщиной в несколько метров.

Весьма велика проникающая способность и у нейтронов. Проникающая способность нейтронов несколько меньше, чем у γ-излучения, но существенно больше, чем у ускоренных заряженных частиц. При ядерных и водородных взрывах нейтронный поток распространяется на сотни метров, легко проникая сквозь стальную броню и железобетон. Энергия нейтронов наиболее эффективно передается ядрам легких атомов. Поэтому вещества, богатые атомами водорода, бериллия, углерода, находят применение в экранировании от нейтронного излучения. Тяжелые металлы, плохо задерживающие нейтроны, могут применяться для ослабления вторичного γ-излучения, возникающего в легких материалах в результате неупругого рассеяния нейтронов и ядерных перестроек.