книги / Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Воздействие ионизирующего и оптического излучения

тенью , расположенной непосредственно в камере ускорителя. Из­ лучаемая за один оборот электрона энергия возрастает пропорцио­ нально четвертой степени энергии электрона при заданном радиу­ се орбиты (т. е. при заданном магнитном поле). Изменяя радиус орбиты за счет изменения величины магнитного поля, можно ме­ нять долю энергии, уходящей на излучение. Наличие синхротронного излучения является мощным фактором, ограничивающим энергию ускоренных электронов. Трудности создания устройств, компенсирующих потери на синхротронное излучение, не позво­ ляют строить ускорители, разгоняющие электроны до энергий бо­ лее 100 ГэВ (такие энергии достигаются за счет использования встречных пучков, где вместо мишени ускоренные электроны взаимодействуют с ускоренными же позитронами). Синхротрон­ ное излучение характеризуется непрерывным спектром, ширина которого определяется энергией ускоренных электронов и может захватывать большой диапазон от ультрафиолетового излучения до у-излучения.

1.2. ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Результатом воздействия ИИ на облучаемые объекты являются физико-химические и биологические изменения в этих объектах: нагрев тела, фотохимическая реакция рентгеновской пленки, из­ менение биологических показателей живого организма и т. д.

Для качественной оценки указанных изменений вводится ряд понятий [7, 10, 11, 12, 13, 15, 23, 24]. Эффект облучения определя­ ется в основном поглощенной энергией. Поглощенная доза (доза

облучения) Dn - энергия излучения, поглощенная единицей массы

d£

тоблучаемого вещества, Dn = — . С увеличением времени растет

dm

и доза облучения Dn. При одинаковых условиях облучения доза

зависит от состава облучаемого вещества. Специальная единица измерения дозы облучения - рад {radiation absorbed dose) - это доза, соответствующая поглощению 100 эрг суммарного излуче-

ния 1 граммом вещества: 1 рад = 100 эрг/г = 1 0 Дж/кг. В СИ еди­ ница поглощенной дозы 1 грей (Гр) = 1 Дж/кг = 100 рад. Скорость поглощения дозы (dDn /dt) иначе называют мощностью погло­ щенной дозы, Гр/с.

41

Основная трудность расчета поглощенной дозы Du заключает­ ся в неоднородности окружающей среды и точности определения коэффициента поглощения. На практике поглощенную дозу оце­ нивают косвенно по ионизации воздуха вокруг объекта. Для этого

do

вводят понятие экспозиционной дозы X =--------меры ионизаци- dm

онного воздействия фотонного излучения, т. е. дозы, при которой в одном килограмме сухого воздуха образуется заряд q = 1 Кл.

Единица экспозиционной дозы в СИ 1 Кл/кг; специальная еди­

Измеряют экспозиционную дозу при помощи ионизационных детекторов. Поглощенная доза пропорциональна экспозиционной: Du = f А", где / - коэффициент пропорциональности: для воздуха, / = 0 ,8 8 ; для костной ткани/ = 1,5 ...4; для мышечной (мягкой) тка­ н и /^ 1. Таким образом, поглощенная доза в радах численно равна экспозиционной дозе в рентгенах для легких тканей и воды.

Эффект лучевого воздействия на организм зависит от погло­ щенной дозы, ее фракционирования во времени, от пространст­ венного распределения энергии. Для сопоставления биологическо­ го действия различных видов излучения вводится относительная биологическая эффективность излучения (ОБЭ). ОБЭ - отношение поглощенной дозы Dn 0 образцового излучения, вызывающего оп­ ределенный биологический эффект, к поглощенной дозе Du дан­ ного излучения, вызывающей такой же биологический эффект:

ОБЭ =Dn o !Dn.

В качестве образцового принято рентгеновское излучение с энергией 200 кэВ. ОБЭ зависит от вида биологического эффекта и конкретных условий облучения.

Для контроля радиационной безопасности при хроническом облучении устанавливают коэффициент качества излучения Q - регламентированное значение ОБЭ для данного вида излучения и его энергии.

Проходя через вещество, ИИ высоких энергий оставляют за собой шлейф из множества ионов различной кинетической энер­ гии. При этом происходит разрушение или повреждение молекул живой ткани. Примем в качестве среднего следующий состав мяг­

42

кой биологической ткани по массе: 76,2 % - кислород; 11,1 % - углерод; 10,1 % - водород; 2,6 % - азот. Тогда для основных ти­ пов излучения коэффициент качества составит:

Отсюда следует, что при одинаковой поглощенной дозе а-из- лучение гораздо опаснее Р- или у-излучений. В связи с этим для конкретного вида излучения вводится эквивалентная доза Э - про­ изведение поглощенной дозы Du данного вида излучения на соот­ ветствующий коэффициент качества Q:

э =DnQ.

Единицей СИ эквивалентной дозы является 1 зиверт (Зв)- эквива­ лент поглощенной дозы 1 Гр. Специальная единица эквивалентной дозы - 1 бэр; 1 бэр - поглощенная доза любого вида ИИ, которая имеет такую же биологическую эффективность, как 1 рад РИ со средней удельной ионизацией 100 пар ионов на 1 мкм пути в воде. Поскольку а - и P-излучения задерживаются небольшими слоями вещества, а коэффициент качества для у-излучения равен 1, то для крупных объектов различные единицы измерения соотносятся следующим образом: 1 Зв = 1 Гр = 100 бэр * 87,7 Р « 100 Р, или

1 бэр = 10- 2 Зв = 1 Р, а также 1 мКл/кг * 4 Р и IP * 1 рад * 11,4 мЗв. Кроме указанных доз вводятся:

•эффективная эквивалентная доза - для определенных орга­ нов и тканей (Зв);

•коллективная эффективная эквивалентная доза - для групп людей (чел-Зв);

•полувековая доза - оценка риска возникновения нежела­ тельных биологических эффектов за 50 лет профессиональной деятельности человека и т. д.

43

С 1 января 2000 г. введены в действие нормы радиационной безопасности НРБ-99. Эта система признает лишь понятия погло­ щенной дозы (Гр), эквивалентной дозы (Зв), эффективной дозы (Зв). Скорее всего введение этих норм связано со стремлением свести все единицы к СИ.

1.3. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Дозиметрами называют устройства для измерения доз ИИ или величин, связанных с дозами. Дозиметры состоят из детектора ядерных излучений и измерительного устройства. Обычно они проградуированы в единицах дозы или мощности дозы. В некото­ рых случаях предусмотрена сигнализация о превышении заданно­ го значения мощности дозы.

В зависимости от используемого детектора различают дози­ метры ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодозиметры и др. Они могут быть предназначены для измере­ ния доз какого-либо определенного вида излучения или регистра­ ции смешанного излучения.

Дозиметры для измерения экспозиционной дозы РИ и у-из- лучения или ее мощности называются рентгенометрами. В качест­ ве детектора у них обычно применяется ионизационная камера. Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объем, в котором помещены положительный и отрица­ тельный электроды. Анодом в ней служит токопроводящий слой, катодом - металлический стержень. К электродам подводится на­ пряжение от источника питания, создающего в камере электричес­ кое поле. Если радиоактивных излучений нет, то воздух в камере не ионизирован и не проводит электрический ток. Под воздействи­ ем излучений воздух ионизируется, цепь замыкается и по ней про­ ходит ионизационный ток. Он поступает в электрическую схему прибора, усиливается, преобразуется и измеряется миллиампер­ метром, шкала которого отградуирована в рентгенах в час или миллирентгенах в час. Заряд, протекающий в цепи камеры, про­ порционален экспозиционной дозе, а сила тока - ее мощности. Существуют дозиметры, детекторами которых являются газораз­ рядные счетчики.

Для измерения активности или концентрации радиоактивных изотопов применяют радиометры. Принцип их работы такой же, как у детекторов ИИ (камера Вильсона, фотопленка, счетчик Гей­ гера - Мюллера и т. п.).

44

Рассмотрим прибор контроля радиоактивного облучения - дози­ метр ДКП-50А, предназначенный для измерения дозы внешнего об­ лучения людей, находящихся на местности, зараженной радиоактив­ ными веществами. Дозиметр ДКП-50А (рис. 1.5) обеспечивает измерение доз у-излучения в диапазоне от 2 до 50 Р при уровнях ра­ диации от 0,5 до 200 Р/ч. Принцип его действия подобен принципу действия простейшего электроскопа и основан на том же свойстве ионизации среды. Ионизационную камеру и конденсатор перед ра­ ботой заряжают от зарядного устройства. Поскольку визирная нить и центральный электрод соединены друг с другом, они получают од­ ноименный заряд, и нить под влиянием сил электростатического от­ талкивания отклоняется от центрального электрода. Отклонение ни­ ти зависит от приложенного напряжения. Путем его изменения нить при зарядке необходимо установить на ноль. При воздействии ра­ диоактивного излучения в камере возникает ионизационный ток, в результате чего заряд дозиметра уменьшается пропорционально по­ лученной дозе облучения и нить движется по шкале, указывая полу­ ченную дозу. Дозиметр во время работы носят в кармане одежды в вертикальном положении (как авторучку). Периодически наблюдая в окуляр дозиметра за положением нити на шкале, определяют дозу облучения, полученную во время работы на зараженной местности. Отсчет проводится при вертикальном положении нити.

1.4. ДЕЙСТВИЕ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА НАСЕЛЕНИЕ

Степень облучения населения зависит от источника излучения. Рассмотрим различные виды источников [6 , 10, 13, 15, 23, 24]. 1. Космическое излучение. Суммарно-эффективная эквива­

45

лентная доза составляет 0,3 мЗв: ионизирующий компонент дает

0,28 мГр/год; нейтронный компонент дает 3,5-10_3 мГр/год.

2. Естественные радионуклиды. Типичный диапазон мощности

поглощенной дозы по всему миру 14...90 нГр/ч, для 40К - 120 мкЗв/год, для рядов 238U и 232Th - 230 мкЗв/год

Внутреннее облучение организма происходит за счет собст­ венных радионуклидов, попавших внутрь вместе с пищей, водой, в

результате курения ит. д .(~ 10_6 Зв/год).

Внутри помещений мощность поглощенной дозы на 1 -м этаже деревянного дома составляет приблизительно 75 % мощности до­ зы вне помещения, на 2 -м этаже мощность дозы падает еще на 10...20 %. Мощность дозы на всех этажах каменного здания при­ мерно одинакова, т. е. излучение практически полностью погло­ щается в стенах этого здания.

Ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся при ядерных взрывах в атмосфере, проведенных по 1980 г. включительно, составляют для северного полушария (мкГр): 1 500 - гонады (дето­ родные органы); 2 700 - костный мозг; 3 900 - костные поверхно­ сти; 2 6 0 0 - легкие.

Ожидаемые коллективные дозы на единицу производимой электроэнергии вследствие выбросов в атмосферу работающих на

угле электростанций (10"~3 чел.Гр на ГВт год) составляют: 140 - ингаляционное поступление во время прохождения шлейфа; 90 - внешнее и внутреннее облучение в результате отложения радио­ нуклида на Земле.

3. Естественный радиационный фон (все источники радиации) равен приблизительно 0 ,2 бэр/год (2 мЗв/год). Радиационный фон меняется в зависимости от местоположения, времени года, нали­ чия промышленной зоны и др. В городах мощность дозы фонового излучения составляет около 20 мкР/ч.

4.Атомная энергетика -1 0 -3 мЗв/год.

5.Ядерная энергетика - 10-4 мЗв/год.

_2

6 . Перелет самолетом на расстояние 2400 км - около 10 мЗв. 7. Ежедневный трехчасовой просмотр телепередач в течение

года - 5 10” 3 мЗв.

8 . Медицина - в среднем 1,45 мЗв/год. В табл. 1.1 приведены дозы облучения при проведении некоторых рентгенографических исследований. Примером отрицательных последствий медицин­

46

ского облучения является маммография: значительная доза облу­ чения (около 1 рад) уже сама по себе может вызвать развитие зло­ качественной опухоли. Такое облучение увеличивает риск разви­ тия рака на 1 %, а при ежегодной маммографии 1 миллиона женщин возможно получить до 6 700 случаев рака, вызванных ис­ ключительно самим обследованием.

Риск, связанный с использованием ИИ, можно разделить на риск получения генетических и соматических изменений в орга­ низме, которые должны рассматриваться по отдельности. Сомати­ ческие эффекты проявляются в индивидууме, непосредственно подвергшемся облучению. Наиболее существенным соматическим воздействием излучения на организм человека является возникно­ вение разного рода опухолей.

Генетически значимая доза (доза облучения, наносящая генети­ ческий ущерб) от рентгеноскопии (PC), рентгенографии (РГ) и флюорографии (ФГ) составляет 77, 149 и 1 мкГр/год соответственно.

Данные авторов.

"Пересчеты авторов по приближению 1Р « 11,4 мЗв.

47

Поглощенная доза в гонадах человека при одном сеансе рент­ генографии составляет, мГр:

от 1СГ4 до 2 0 в среднем по органам; 172 (уретроцистография) максимальная у мужчин;

67 (сальпинография) максимальная у женщин. Количественную оценку воздействия ИИ в конкретной ситуа­

ции можно получить из следующих соображений:

• средняя вероятность возникновения необратимых злокачест­ венных новообразований в тканях человека, который получил дозу

10 мЗв, составляет порядка 10-4 ;

• суммарный риск, связанный с получением тканями эмбриона или плода на ранних стадиях развития дозы 10 мЗв, лежит в пре­ делах от 0 до 1 0 0 0 случаев для всех видов последствий, включая возникновение как серьезных отклонений, так и рака. Поэтому в процессе облучения должен быть обеспечен минимальный уровень дозы (принцип минимального воздействия) [16].

Таким образом, доза облучения тела человека ИИ составляет, %:

Известно, что в условиях естественного радиоактивного фона, равного 2 мЗв/год, человечество жило и живет, постоянно развива­ ясь и прогрессируя, поэтому можно утверждать, что доза естест­ венного фонового облучения безопасна.

1.5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Регистрация и использование РИ, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновских фотонов с электронами атомов и молекул вещества.

Различают три стадии взаимодействия РИ с веществом: 1) физический процесс - возбуждение;

48

2 ) химические процессы;

3) физиологические процессы.

При этом существует три канала перераспределения энергии: 1) излучательный канал - вторичное излучение с изменением

частоты; 2 ) безызлучательный канал - частицы успели столкнуться и

передать энергию (теплота, акустика); 3) фотохимические процессы - ионизация, фотохимическая ре­

акция и т. д.

Соответственно доля поглощенной энергии состоит из трех частей:

где г\ - квантовый выход канала, который показывает, какая часть поглощенных квантов преобразуется в энергию того или иного канала,

Т1 = (Д£/)/(Д ^ - Канал перераспределения энергии зависит от кинетики этих

процессов, т. е. времени их протекания СЬвл, хб/изл> Хфх)-В зави­

симости от соотношения этого времени доминирует тот или иной процесс. Например, если тб/изл «: {тизл, Тфх},то безызлучатель­

ный процесс будет преобладать.

Рассмотрим физическую стадию взаимодействия РИ с вещест­ вом. Преобразование энергии электромагнитного излучения в ве­ ществе происходит в элементарных актах взаимодействия фотонов с атомами и электронами среды. В зависимости от соотношения энергии фотона hv и энергии ионизации Аи можно выделить сле­ дующие основные первичные процессы.

1. Классическое рассеяние. Это рассеяние длинноволнового РИ без изменения длины волны, поэтому оно называется когерент­ ным. Классическое рассеяние отмечается, если энергия фотона меньше работы по ионизации молекул: hv<A]и. В поле электро­ магнитной волны возникают вынужденные колебания электронов с последующим переизлучением кванта той же частоты. Поэтому классическое рассеяние не несет биологического действия, однако его следует учитывать при дозиметрии, поскольку в конечном ито­

49

ге квант может поглотиться веществом, что будет приводить к на­ коплению дозы. Этот вид взаимодействия имеет значение при рентгеноструктурном анализе (см. далее 2.2).

2. Фотоэффект. Энергия фотонов Av = 1... 500 кэВ. Эффект усиливается с ростом энергии кванта и преобладает при Av > Аи.

Согласно уравнению Эйнштейна,

ку/ = Ак + ^син-

При фотоэффекте часть энергии первичных фотонов преобра­ зуется в кинетическую энергию £кин электронов, вылетевших из атомов при поглощении первичного фотона. Благодаря достаточно большой энергии первичного кванта происходит вырывание элек­ трона с глубоких орбиталей. Оставшаяся часть энергии преобразу­ ется в энергию характеристического излучения, которое выделяет­ ся при занятии места вылетевшего электрона менее связанным электроном с внешних орбиталей. В дозиметрии роль характерис­ тического излучения незначительна.

3. Эффект Комптона наблюдается, если hv'^>Ayi. Эффект пре­ обладает при Av ~ 1 МэВ. Это рассеяние фотона атомными элек­ тронами. В результате фотон отклоняется от первоначального на­ правления с потерей энергии. При потере энергии, намного большей энергии связи электронов в атоме, фотоны рассеиваются на «покоящихся» электронах (см. В2). Энергия фотона преобразу­ ется в кинетическую энергию электронов и энергию рассеянных фотонов:

hv = Av + £кин,

ДХ = X —X = Xj^(1 —cos0),

где Хк = А/тс = 0,0024 нм - длина волны Комптона; 0 - угол между падающим излучением и рассеянным электроном.

4. Образование пар электрон - позитрон. Процесс преобладает при энергии фотонов Ау >1(до 50) МэВ. Для образования пары необходимо, чтобы энергия первичного фотона была больше удво­

енной энергии покоя электрона 2тес2. При соударении фотона с заряженной частицей X (обычно некоторое ядро) вместо первично­ го фотона образуется электрон-позитронная пара:

у + Х -> Х +е~ +е+.

5 0