Природа и свойства ионизирующих излучений

Классификация ионизирующих излучений

Ионизирующее излучение — это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, то есть к образованию ионов. Оно подразделяется на корпускулярное и электромагнитное. К первому типу относятся альфа- и бета-частицы, протоны, нейтроны и другие массивные частицы. Ко второму — рентгеновское и гамма-излучение.

Альфа-излучение — поток ядер гелия (⁴He²⁺), обладающих высокой ионизирующей способностью, но небольшой проникающей способностью (задерживаются листом бумаги).
Бета-излучение — поток быстрых электронов (β⁻) или позитронов (β⁺), имеющих меньшую ионизирующую, но более высокую проникающую способность (до нескольких миллиметров в тканях).
Гамма- и рентгеновское излучение — электромагнитные волны с высокой энергией. Они не имеют заряда и массы, обладают высокой проникающей способностью и малой ионизирующей плотностью.
Нейтронное излучение — поток нейтронов, не имеющих электрического заряда. В отличие от заряженных частиц, нейтроны проникают глубоко в вещество и вызывают ядерные реакции, приводящие к вторичному ионизирующему излучению.

Физическая природа ионизации

Ионизация происходит при передаче энергии ионизирующего излучения электронному облаку атомов вещества. Энергия, достаточная для ионизации, составляет несколько электрон-вольт. При столкновении частицы с атомом может происходить:

Ионизация — удаление одного или нескольких электронов из атома или молекулы;
Возбуждение — переход электрона на более высокий энергетический уровень без его выбивания;
Образование вторичного излучения — при торможении частиц возникают характерные рентгеновские кванты или фотоны тормозного излучения.

Поглощение и взаимодействие с веществом

Различные типы ионизирующих излучений взаимодействуют с веществом по-разному:

Альфа-частицы теряют энергию за счёт взаимодействия с электронами атомов среды (ионный тормоз). При этом они быстро теряют энергию и тормозятся на небольшом расстоянии (порядка десятков микрометров в тканях).
Бета-частицы взаимодействуют с веществом как посредством ионизации, так и с образованием тормозного рентгеновского излучения. Они обладают неустойчивой траекторией, часто рассеиваются.
Гамма-кванты не теряют энергию по пути, пока не произойдёт взаимодействие: фотоэффект, комптоновское рассеяние или образование пар. Эти процессы зависят от энергии квантов и атомного номера вещества.
Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов. Возможны упругое рассеяние, захват с образованием радиоактивного изотопа и даже ядерное деление.

Пробег и линейная передача энергии (LET)

Пробег — путь, который проходит частица в веществе до полной остановки. У альфа-частиц — меньше всего, у нейтронов и гамма-квантов — существенно больше.
Линейная передача энергии (LET, Linear Energy Transfer) — количество энергии, переданное веществу на единице длины пути частицей. У альфа-частиц LET высок (до 100–200 кэВ/мкм), у бета-частиц — ниже, у гамма-квантов — минимальный (около 0,2–3 кэВ/мкм).

LET критически важен при оценке биологических эффектов: высокоLET-излучение (альфа, ионизирующие ядра) вызывает плотную ионизацию, труднее репарируемую клетками, чем низкоLET-излучение (гамма, рентген).

Понятие дозы и ее виды

В медицинской физике применяются следующие определения дозы:

Поглощённая доза (D) — количество энергии, поглощённой единицей массы вещества: D = dE/dm, измеряется в грэях (Гр), где 1 Гр = 1 Дж/кг.
Эквивалентная доза (H) — учитывает биологическую эффективность излучения: H = D × w_R, где w_R — радиационно-взвешивающий коэффициент (для α-частиц ≈ 20, для β- и γ-излучения — 1).
Эффективная доза (E) — оценивает риск для всего организма, учитывает чувствительность тканей: E = ∑ (w_T × H_T), где w_T — тканевой весовой коэффициент.

Единица измерения эквивалентной и эффективной дозы — зиверт (Зв).

Источники ионизирующего излучения

Природные источники: — космическое излучение; — радионуклиды земной коры (уран, торий, радон); — радионуклиды в организме (калий-40, углерод-14).
Искусственные источники: — медицинские аппараты (рентгеновские установки, радионуклидная диагностика, радиотерапия); — промышленные и исследовательские ядерные установки; — источники радиационного контроля.

Радиобиологическое действие ионизирующих излучений

Основной механизм биологического действия — повреждение ДНК и других биомолекул, приводящее к мутациям, апоптозу или некрозу. Различают два пути воздействия:

Прямой путь — ионизация непосредственно молекул ДНК;
Косвенный путь — ионизация воды с образованием свободных радикалов (OH•, H•), атакующих биомолекулы.

Ионизирующее излучение может вызывать:

генетические мутации;
гибель клеток (особенно быстро делящихся: эпителий, кроветворная ткань);
канцерогенез;
острые и хронические лучевые синдромы.

Факторы, влияющие на степень биологического воздействия

Тип излучения (LET);
Поглощённая доза и её распределение во времени (однократная, фракционированная);
Объем облучаемой ткани;
Возраст и общее состояние организма;
Кислородное насыщение тканей (эффект кислорода усиливает действие радиации).

Экранирование и защита

Для защиты от ионизирующих излучений применяются различные методы:

Время — уменьшение времени воздействия;
Расстояние — увеличение дистанции до источника;
Экранирование — использование барьеров: — свинец, бетон — для защиты от γ- и рентгеновского излучения; — пластмассы и вода — для нейтронов; — стекло, бумага — для α- и β-частиц.

Ионизирующее излучение в медицине

Применяется как в диагностике, так и в терапии:

Рентгенодиагностика, КТ — визуализация внутренних структур тела;
Радиоизотопная диагностика — изучение метаболизма и функции органов;
Лучевая терапия — разрушение опухолевых клеток;
Брахитерапия — введение источников внутрь или вблизи опухоли;
ПЭТ и сцинтиграфия — функциональная диагностика с применением радиофармпрепаратов.

В клинической практике необходимо строгое соблюдение принципов радиационной безопасности (принцип ALARA — «as low as reasonably achievable»), а также индивидуальный подход к дозированию.

Основные нормативные параметры

Естественный фон: 1–3 мЗв/год;
Годовой предел дозы для персонала — 20 мЗв;
Для населения — 1 мЗв/год;
Летальные дозы: >4–6 Гр (при остром облучении всего тела без медицинской помощи).