Корпускулярные ионизирующие излучения

К корпускулярным ИИ относят нейтроны и ускоренные заряженные частицы.

Нейтронное излучение возникает при бомбардировке атомного ядра ускоренной заряженной частицей или фотоном высокой энергии. Помимо лабораторных условий, такой путь реализуется при взрывах атомных боеприпасов, где источником этих частиц служат цепные реакции деления ядер 92U235 или 94Pu239. Другой путь образования нейтронов – синтез ядер лёгких элементов – дейтерия (1D₂), трития (1T₃) и лития (3Li₆), происходящий при взрывах термоядерных (водородных) боеприпасов.

Нейтроны могут быть классифицированы по их энергии (таблица 10).

Таблица10.

Классификация нейтронов в зависимости от энергии

Название	Энергия частицы
Тепловые	< 0, 1 эВ
Медленные	0, 1 – 500, 0 эВ
Промежуточные	0, 5 – 100, 0 кэВ
Быстрые	0, 1 – 10, 0 МэВ
Очень больших энергий	10 – 1000 МэВ
Сверхбыстрые (релятивистские)	> 1000 МэВ

Большинство нейтронов, образующихся при взрывах атомных боеприпасов, относится к быстрым нейтронам, а при взрывах водородных боеприпасов – к нейтронам очень больших энергий.

Так как нейтроны не имеют заряда, они не оказывают непосредственного влияния на электронную оболочку атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, нейтроны либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (участие в ядерных перестройках). Ниже раскрывается содержание процессов взаимодействия нейтронов с атомами вещества.

Упругое рассеяние. При столкновении с ядрами углерода, азота, кислорода, фосфора нейтроны теряют 10-15 %, а при столкновении с ядрами водорода – до 2/3 своей энергии. Потерянная нейтронами энергия передаётся «ядрам отдачи» - положительно заряженным частицам, имеющим высокую ионизирующую способность. Упругое рассеяние – основной путь потери энергии нейтронами, возникающими при атомных и водородных взрывах.

Неупругое рассеяние. В этом случае часть энергии расходуется нейтронами на возбуждение (разновидность колебательного движения) ядер-мишеней. В исходное состояние ядра возвращаются, испуская фотоны γ -излучения.

Ядерные перестройки.При поглощении ядрами нейтронов происходит выброс протонов, α -частиц, γ -квантов, возникают искусственные радиоактивные изотопы (это явление называется наведённой активностью).

Образующиеся при взаимодействии нейтронов с веществом ускоренные заряженные частицы – ядра отдачи – вносят основной вклад в ионизацию и возбуждение атомов вещества. Поэтому нейтроны, так же как рентгеновы и g- лучи, называют косвенно ионизирующимизлучением.

Проникающая способность нейтронов несколько меньше, чем у g-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 передаётся ядрам лёгких атомов. Поэтому вещества, богатые атомами водорода, бериллия, углерода, находят применение в экранировании от нейтронного излучения. Тяжёлые металлы, плохо задерживающие нейтроны, могут применяться для ослабления вторичного g-излучения, возникающего в лёгких материалах в результате неупругого рассеяния нейтронов и ядерных перестроек.

Ускоренные заряженные частицы – это перемещающиеся в пространстве источники электрического поля (поток электронов - b-частиц, протонов, ядер атома гелия - a-частиц). Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются некоторые из природных радиоизотопов. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц.

При прохождении через вещество заряженные частицы могут взаимодействовать с его атомами. Ниже раскрываются формы этого взаимодействия.

Упругое рассеяние –изменение траектории заряженной частицы в результате отталкивания от атомных ядер без потери энергии. Чем меньше масса частицы, тем больше её отклонение от прямого направления. Поэтому траектории b-частиц в веществе изломаны, а протонов и a-частиц – практически прямые.

Неупругое торможение. Электрон при прохождении вблизи атомного ядра теряет скорость и энергию. При этом может испускаться фотон тормозного излучения, летящий в том же направлении, что и электрон.

Ионизация и возбуждение атомовв результате взаимодействия частицы с их электронными оболочками – основной путь потери энергии ускоренных заряженных частиц в веществе. Под действием их электрического поля происходит возмущение электронных оболочек атомов с переходом последних в возбуждённое или ионизированное состояние. Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первично ионизирующие излучения.

Проникающая способностьускоренных заряженных частиц, как правило, невелика. Она прямо пропорциональна энергии, массе и квадрату скорости частицы. Напротив, связь проникающей способности с абсолютной величиной заряда частиц является отрицательной. Пробег b-частиц в воздухе составляет десятки сантиметров, а a-частиц – миллиметры. Одежда надёжно защищает человека от воздействия этих излучений извне. Однако поступление их источников внутрь организма является опасным, поскольку пробег a или b-частиц в тканях превышает размеры клеток, что создаёт условия для воздействия излучения на чувствительные к нему субклеточные структуры.

Количественная оценка ионизирующих излучений.

Основы дозиметрии

Выявление ИИ и количественная оценка уровня радиационных воздействий называется дозиметрией. Для количественной характеристики уровня лучевого воздействия введено понятие дозы излучения. Применяются три основных вида дозы – экспозиционная, поглощённая и эквивалентная.

Экспозиционная доза (Х) – мера количества ИИ, физическим смыслом которой является суммарный заряд ионов одного знака, образующихся при облучении воздуха в его единичной массе:

Х = dQ/dm,

где dQ – суммарный заряд всех ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, образовавшихся в малом объёме пространства, dm – масса воздуха в этом объёме.

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон, делённый на килограмм (Кл/кг). Более часто, однако, применяется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р), соответствующая образованию 2, 1 × 109 пар ионов в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях. 1Кл/кг = 3876 Р; 1Р = 2, 58 × 10-4 Кл/кг.

Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах, количественно различны. Это связано с разным количеством энергии, передаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных веществ. Учесть этот фактор можно, выражая количество ИИ в единицахпоглощённой дозы (D). Физический смысл поглощённой дозы – количество энергии, передаваемой излучением единичной массе вещества:

D = dE/dm,

где dE – энергия излучения, поглощённая малой массой вещества dm.

В системе СИ поглощённую дозу выражают в греях (Гр). 1Гр = 1Дж/кг. Часто пользуются внесистемной единицей поглощённой дозы – рад (аббревиатура «radiation absorbed dose»). Рад равен сантигрею (1рад = 10-2Гр).

Непосредственно измерить биологически значимые величины поглощённых доз не всегда возможно из-за незначительности соответствующей им энергии. Так, при общем облучении человека массой 76 кг в смертельной дозе 4 Гр его телу сообщается энергия 305 Дж. Её достаточно лишь для нагревания тела на 0, 001^ОС. Поэтому непосредственно измеряется, как правило, экспозиционная доза ИИ, а поглощённая доза рассчитывается с учётом свойств облучаемой среды. В воздухе 1 рентген соответствует 0, 89 рад, а в тканях организма, в среднем, 0, 95 рад.

Эквивалентная доза.Различные ИИ вызывают в биосистемах количественно различные эффекты даже при одинаковой поглощённой дозе. Это связано, главным образом, с такими характеристиками ИИ, как ЛПЭ и коэффициент ослабления m.. Для малоразмерных биологических объектов (например, для макромолекул, клеточных органелл и клеток), большему значению ЛПЭ воздействующего на них излучения соответствует большее число актов ионизации и возбуждения, возникающих в пределах конкретного биообъекта. Соответственно, большим оказывается и повреждающий эффект плотноионизирующих излучений в отношении клеток и субклеточных структур. Данное различие выражается величиной ОБЭ. Для рентгеновского и g-излучения её принимают равной 1, а для каждого из остальных ИИ значение ОБЭ рассчитывают как отношение равноэффективных поглощённых доз рентгеновского и рассматриваемого ИИ. Значения ОБЭ для некоторых видов ИИ представлены в таблице 11.

Таблица 11.

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 192021 22 23 24 Следующая ⇒