Физические основы радионуклидной диагностики

Излучение, открытое, Беккерелем, сначала называли беккерелевыми лучами (по аналогии с рентгеновскими). Однако оказалось, что новое излучение не является однородным, а складывается из трех составляющих, которые стали именоваться по первым буквам греческого алфавита - α-, β- и γ-излучения.

Альфа-излучение – это поток атомов гелия, лишенных электронов. Альфа-частица имеет двойной положительный заряд (два протона и два нейтрона) и массу, которая равна 4 атомным единицам. Бета-излучение – это поток β-частиц, то есть электронов или позитронов. Каждая из частиц имеет один элементарный положительный или отрицательный электрический заряд. Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое при радиоактивном распаде. Свойства γ-излучения определяются длиной волны (λ) и энергией кванта (Е). Энергия γ-квантов находится в пределах от десятков кэВ до МэВ, поэтому они характеризуются высокой проникающей способностью и выраженным биологическим действием.

Современная радионуклидная диагностика основана на регистрации именно гамма-квантов, либо испускаемых непосредственно радиоактивными нуклидами при их распаде, либо образующихся при взаимодействии позитронов, испускаемых нуклидом, с электронами окружающих атомов.

Регистрация γ-квантов производится несколькими способами – подсчетом количества ионизаций в ионизационных камерах, газоразрядных счетчиках и фиксацией пробега γ-квантов в некоторых веществах при попадании в них ионизирующих излучений (сцинтилляторах). Количество ионизаций, или сцинтилляций, свидетельствует о количестве радионуклидных распадов и, соответственно, о количестве радиоактивного нуклида.

Единицей активности радионуклида в системе СИ является беккерель (Бк). 1 Бк равен 1 ядерному превращению за 1 секунду. В практической медицине чаще используют внесистемную единицу кюри (Ки): радиоактивность вещества равна 1 Ки, если в нём каждую секунду происходит 3,7×1010 радиоактивных распадов.

68. Лучевое повреждение происходит, когда ионизирующее излучение вмешивается в нормальное функционирование клетки, прямо или косвенно повреждая клетку.

 

Прямое повреждение происходит, когда излучение попадает в критическую область клетки (такую как ДНК) и напрямую вызывает ионизацию молекулы.

 

Непрямое (косвенное) повреждение происходит как результат образования химически активных групп атомов, называемых свободными радикалами, внутри клетки. На 80% клетка состоит из воды. Когда излучение ионизирует молекулы воды, образовавшиеся ионы взаимодействуют с другими молекулами воды. Два образующихся продукта, Н (атом водорода) и ОН (гидроксильная группа), очень химически активны, так как они включают непарные электроны. Другой продукт химической реакции в клетке это пероксид водорода (H2O2), который также очень химически активен. Эти активные группы атомов могут вмешиваться в нормальные процессы в клетке, разрывая химические связи, такие как связи между атомами углерода в молекуле ДНК. Это приводит к разрыву молекулы ДНК, что в дальнейшем может воспрепятствовать делению клетки. Свободные радикалы также могут вызывать повреждение ферментов (химизм которых важен для функционирования клетки) или мембран (нарушая перенос веществ). Лучевое повреждение отдельных клеток результат повреждения ДНК. Три основных вида последствий этих повреждений могут быть представлены следующим образом:

• клетка может погибнуть;

• в клетке могут происходить изменения, приводящие к неправильному делению клетки; или

• генетический материал клетки может измениться, и такое изменение будет передано новым клеткам.

 

Отметим, что ионизирующее излучение не вызывает каких либо повреждений клетки, которые не могли бы быть вызваны другими агентами, например такими как химикаты или вирусы.

Лучевая болезнь — заболевание, возникающее в результате воздействия различных видов ионизирующих излучений и характеризующаяся симптомокомплексом, зависящим от вида поражающего излучения, его дозы, локализации источника радиоактивных веществ, распределения дозы во времени и теле человека.

 

У человека лучевая болезнь может быть обусловлена внешним облучением и внутренним — при попадании радиоактивных веществ в организм с вдыхаемым воздухом, через желудочно-кишечный тракт или через кожу и слизистые оболочки, а также в результате инъекции.

 

Общие клинические проявления лучевой болезни зависят, главным образом, от полученной суммарной дозы радиации. Дозы до 1 Гр (100 рад) вызывают относительно лёгкие изменения, которые могут рассматриваться как состояние предболезни. Дозы свыше 1 Гр вызывают костномозговую или кишечную формы лучевой болезни различной степени тяжести, которые зависят главным образом от поражения органов кроветворения. Дозы однократного облучения свыше 10 Гр считаются абсолютно смертельными.

70. Дозиметрия ионизирующих излучений — раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом (дозиметрические величины). В более узком смысле слова Д. и. и. — совокупность методов измерения этих величин. Важнейший признак дозиметрических величин — их связь с радиационно-индуцированными эффектами, возникающими при облучении объектов живой и неживой природы. Под радиационно-индуцированными эффектами в общем смысле понимают любые изменения в облучаемом объекте, вызванные воздействием ионизирующих излучений. Основной дозиметрической величиной является доза ионизирующего излучения и ее модификации. Задача Д. и. и. — описание дозного поля, сформированного в живом организме в реальных условиях облучения.

Необходимость разработки Д. и. и. возникла вскоре после открытия Рентгеном в 1895 г. излучения, названного его именем. Интенсивное накопление данных по биологическому действию рентгеновского излучения, с одной стороны, открывало реальную перспективу его применения в медицине, а с другой — указывало на опасность неконтролируемого облучения живого организма. В результате встал вопрос о дозиметрическом обеспечении практического применения источников ионизирующих излучений. В начале 20 в. основными источниками излучения были радий и рентгеновские аппараты, и Д. и. и. сводилась фактически к дозиметрии фотонного ионизирующего излучения (рентгеновского и гамма-излучения). Затем по мере развития технических средств ядерной физики, создания и усовершенствования ускорителей заряженных частиц и особенно после пуска в 1942 г. первого ядерного реактора число источников и связанных с ними видов ионизирующих излучений существенно расширились. В соответствии с этим появились методы дозиметрии потоков заряженных частиц, нейтронов, высокоэнергетического тормозного излучения и др

Физической основой Д. и. и. является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.

Поглощенная доза излучения - характеристика радиационной опасности; отношение поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе облученного вещества. Единицами измерения поглощенной дозы излучения являются грэй и рад.

Экспозиционная доза излучения - отношение суммарного заряда одного знака, созданного в воздухе при полном использовании ионизирующей способности излучения, к массе ионизированного воздуха.

Экспозиционная доза излучения представляет собой энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха.

Ионизационная камера

Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролёте заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать, достигали электродов.

Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению

Схема ионизационной камеры

В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Рабочим объемом служит пространство между катодом и сеткой. Образовавшиеся в результате ионизации электроны под действием поля Eкс двигаются по направлению к сетке, проходят ее под действием поля Eса > Eкс и собираются на аноде. Более подвижные электроны собираются за время 10-6 с. Положительные ионы, время сбора которых на три порядка больше за это время остаются практически на месте. Сетка экранирует анод от индукционного воздействия положительных ионов.

Временное разрешение ионизационной камеры определяется временем сбора зарядов. Таким образом, при регистрации импульса тока от электронов временное разрешение ионизационной камеры будет достигать 10-6 с.

Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы. Эта энергия равна произведению числа электронов n на среднюю энергию, необходимую на образование частицей одной пары электрон-ион (для газа 30-40 эВ).

71. Эквивалентная доза излучения - произведение поглощенной дозы излучения на коэффициент качества излучения, учитывающий неблагоприятные биологические последствия облучения в малых дозах. Единицей эквивалентной дозы излучения является зиверт.

Коэффициент качества — в радиобиологии усредненный коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ). Характеризует опасность данного вида излучения (по сравнению с γ-излучением). Чем коэффициент больше, тем опаснее данное излучение.

72. Мощность дозы (интенсивность облучения) — приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин, сЗв/год и др.).

Лабораторная работа №7.2011 г.

73. с.49.Лабораторный практикум 2011г.

Физика№74

Ионизирующее излучение — в самом общем смысле — различные виды 000500501001000181001108100микрочастиц и физических 0900051080708000%полей, способные ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят 0301811001080005100200508070110500805ультрафиолетовое излучение и излучение 008040801809102051%видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Излучение 09080100200018микроволнового и 0000040800200018радиодиапазонов не является ионизирующим.