Глава 1. Физические основы радиационной медицины

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.

1.3. Основные физико-дозиметрические величины и единицы их измерений

Если источник ионизирующего излучения находится вне организма и облучает его снаружи, говорят о внешнем облучении. Если же источник ионизирующего излучения оказывается внутри организма (попадая туда с воздухом, пищей или водой), то он создает внутреннее облучение. И в том, и в другом случае величина любого эффекта, развивающегося в результате воздействия ионизирующих излучений, определяется, прежде всего, количеством переданной облучаемому объекту, в том числе, организму человека, энергии. В связи с этим для количественной характеристики уровня воздействия ионизирующего излучения используют физические величины: доза, мощность дозы, активность.

Экспозиционная доза (Х) – это суммарный заряд частиц с электрическим зарядом одного знака, образовавшихся в единичном объеме воздуха вследствие его ионизации излучением. Определяется она по формуле:

Х = dQ / dm,

где dQ – суммарный заряд всех ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, образованных фотонами ионизирующих излучений в малом объеме пространства, Кл; dm – масса воздуха в этом объеме, кг.

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Более часто, однако, применяется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р): 1 Кл/кг = 3876 Р и наоборот: 1 Р = 2,58 ⋅ 10^-4 Кл/кг.

Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах (в том числе в тканях организма), количественно различны. Это связано с разным количеством энергии, передаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных веществ при одной и той же экспозиционной дозе, измеренной в воздухе. Кроме того, в единицах экспозиционной дозы может быть измерено лишь фотонное (рентгеновское и гамма) излучение. Учесть это можно, выражая количество ионизирующих излучений в единицах поглощенной дозы (D). Физический смысл поглощенной дозы – количество энергии, переданной излучением единичной массе вещества: D = dE / dm, dm → 0.

В системе СИ поглощенную дозу выражают в джоулях на килограмм или греях (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг.

Часто применяют внесистемную единицу поглощенной дозы – рад, являющуюся аббревиатурой слов «radiation adsorbed dose». Рад численно равен сантигрею (1 рад = 10^–2 Гр).

Если поглощенная доза распределяется в каком-то одном участке тела, говорят о локальном облучении, а если облучению подвергается все тело или большая его часть – о тотальном облучении. Вариантами тотального облучения являются равномерное (неравномерность по дозе на отдельные части тела не превышает 10 %) и неравномерное облучение.

Для сравнительной оценки биологического действия различных видов ионизирующих излучений введено понятие эквивалентной дозы (Н). Она определяется как поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения:

H = D ⋅ Q,

где D – поглощенная доза в данной точке ткани, а Q – средний коэффициент качества излучения, который устанавливается для каждого вида излучения в зависимости от его ЛПЭ.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы служит зиверт (Зв), а внесистемной единицей является бэр (аббревиатура слов «биологический эквивалент рада»): 1 Зв = 100 бэр.

Эквивалентную дозу, как правило, используют для оценки опасности пролонгированного или хронического лучевого воздействия на организм. Для рентгеновского, γ- и β-излучений 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Гр.

Следует также учитывать, что одни органы и ткани более чувствительны к действию радиации, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения вероятность возникновения рака в легких больше, чем в щитовидной железе. Облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических последствий. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с различными коэффициентами. Это положение легло в основу определения эффективной дозы, которая также измеряется в зивертах (Зв). Доза эффективная (E) – это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.

Для оценки опасности ионизирующих излучений для группы людей или для популяции в целом следует пользоваться понятием коллективная эффективная доза. Она рассчитывается как сумма индивидуальных эффективных доз, полученных группой людей, и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв). Доза эффективная коллективная – это мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных эффективных доз.

Для характеристики интенсивности воздействия ионизирующих излучений используют величину мощности дозы излучения (Р). Мощность дозы понимают как дозу (экспозиционную, поглощенную или эквивалентную), регистрируемую за единицу времени.

Непосредственно измеряют, как правило, мощность экспозиционной дозы. Ее единицей в системе СИ является кулон, деленный на килограмм в секунду [Кл/(кг⋅с)], т.е. ампер на килограмм (А/кг). Весьма часто пользуются внесистемной единицей мощности экспозиционной дозы – рентген в час (Р/ч) и ее производными (мР/ч, мкР/ч). При хронических воздействиях недифференцированных потоков ионизирующих излучений используют единицы мощности эквивалентной дозы: зиверт в год (Зв/год) или бэр в год (бэр/год).

В зависимости от мощности дозы и времени действия ионизирующего излучения различают кратковременное, пролонгированное и хроническое облучение. Кратковременным облучением считается импульсное воздействие γ-нейтронного излучения ядерного взрыва, а также облучение с мощностью дозы свыше 0,02 Гр/мин. Непрерывное радиационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет называют хроническим облучением, а промежуточное положение между кратковременным и хроническим – занимает пролонгированное облучение. Временные границы между кратковременным, пролонгированным и хроническим облучением являются весьма условными. Если не менее 80 % всей дозы организм человека получает не более чем за 4 сут и перерывов в облучении нет или они очень непродолжительны (измеряются минутами, часами), то такое облучение называют однократным, или острым. Острое облучение в больших дозах возможно при действии проникающей радиации ядерного взрыва, преодолении зоны радиоактивного заражения местности, нахождении вблизи разрушенного атомного реактора.