Кравців Р.Й., Салата В.З., Семанюк В. І., Фреюк Д.В., Ярошович І. Г. Ветеринарна радіологія

Подождите немного. Документ загружается.

Ветеринарна радіологія

Яку роботу виконує енергія, що вивільняється при ядерних

перетвореннях?

Оскільки енергія зв’язку електрона на зовнішній орбіті ато-

ма не перевищує 1-2 еВ, то цей електрон під впливом енергії ви-

промінювання легко відривається, одночасно атом, позбавлений

електрона, перетворюється на позитивно заряджений іон та ін-

ший нейтральний атом, що приєднує цей звільнений електрон,

перетворюючись на негативно заряджений іон. Тобто утворюєть-

ся пара іонів. Процес іонізації має надзвичайно важливе практич-

не значення, оскільки він покладений в основу виявлення іонізую-

чого випромінювання, а також розуміння патогенезу променевої

патології. Кількість утворених пар іонів із нейтральних атомів під

впливом енергії ядерного випромінювання (іонізуючої радіації) в

радіології прийнято називати дозою. Отже, доза іонізуючого ви-

промінювання – це величина енергії (кількість енергії), яка пере-

дається певному об’ємові або масі опроміненої речовини.

Які одиниці використовують для вимірювання дози?

Експозиційна доза (Dexp) – визначає кількість енергії рент-

генівського або гамма-випромінювання, витраченої на іонізацію

одиниці маси чи об’єму повітря.

1. Система інтернаціональна. Кулон на кілограм (Кл/кг) – це

така кількість рентгенівського або гамма-випромінювання, яка,

взаємодіючи з атомами повітря масою в один кілограм, утворює

іони зарядом в один кулон електрики кожного знаку.

2. Позасистемна. Рентген (Р, R) – це така доза рентгенівського

або гамма-випромінювання, яка в 1 см

повітря при 0°С та 760 мм

рт. ст. створює 2

×10

(два мільярди) пар іонів:

1 Р = 2,58

×10

-4

Кл/кг.

Потужність експозиційної дози Р

exp

– відношення приросту

exp

експозиційної дози за інтервал часу dt до цього інтервалу

часу: Р

exp

= dD

exp

/dt. Одиниці потужності дози СІ – А/кг (Кл/кг/с).

Ампер на кілограм дорівнює потужності експозиційної дози фо-

тонного випромінювання, за якої за 1 секунду створюється експо-

зиційна доза 1 Кл/кг.

Позасистемна одиниця потужності експозиційної дози – рент-

ген за секунду (Р/с) – пов’язана з одиницею СІ цієї величини таки-

ми співвідношеннями:

1 Р/с = 2,58

×10

-4

А/кг (точно); 1 А/кг = 3,88×10

Р/с (приблиз-

но).

Для розрахунку потужності експозиційної дози на певній

відстані від точкового джерела іонізуючого випромінювання ви-

користовують співвідношення:

, де

Д =

K ·A·t

Д – експозиційна доза від даного джерела;

– гамма-стала, тобто потужність дози, яку створює даний

радіонуклід активністю 1 мКі на віддалі 1 см за 1 год.;

А – активність джерела випромінювання в мКі;

t – час випромінювання в годинах;

R – віддаль від джерела випромінювання до опромінювано-

го об’єкта в см.

Для отримання значення дози в одиницях рентген необхідно

зберегти вищевказані розмірності для К

, А, t та R.

Наприклад: на робочому місці знаходиться препарат

Со ак-

тивністю 0,5 Кі. Визначити, які дози створює гамма-випроміню-

вання цього препарату на віддалі 1 м та 3 м протягом робочого

дня (6 год.). Гамма-стала

Со = 13,5.

Відповідь:

А = 0,5 Кі = 500 мКі

R1 = 1 м = 100 см

R2 = 3 м = 300 см

= 13,5

t = 6 год.

Д1 = ?, Д2 = ?

Поглинаюча доза (Дп) – визначає кількість енергії будь-яко-

го виду випромінювання, поглинутого в одиниці маси опроміне-

ної речовини.

13,5·500·6

= 4,05Р

100

13,5·500·6

= 0,45Р

300

Радіологічні величини та одиниці їх виміру

Ветеринарна радіологія

1. Система інтернаціональна. Джоуль на кілограм (Дж/кг)

– це кількість енергії будь-якого іонізуючого випромінювання в

один джоуль, переданої масі опроміненої речовини в 1 кілограм.

Ця одиниця називається грей (Гр), тобто:

1 Гр = 1 Дж/кг

2. Позасистемна – рад (rad). Це абревіатура слів “радіаційна

абсорбційна доза”. 1 рад – це доза, при якій 1 кг речовини погли-

нає 10

-2

Дж енергії:

1 рад = 10

-2

Гр .

Процес проходження іонізуючого випромінювання крізь ре-

човину пов’язаний із поглинанням енергії, при цьому поглинута

речовиною енергія дорівнює втраченій випромінюванням енергії.

Поглинута доза випромінювання показує втрату енергії випромі-

нювання на одиницю маси речовини й водночас енергію, придба-

ну речовиною на одиницю її маси.

Потужність поглинутої дози

– відношення приросту

поглинутої дози за інтервал часу dt до цього інтервалу часу:

= dD

/dt.

СІ. Грей за секунду дорівнює потужності поглинутої дози ви-

промінювання, за якої за 1 секунду у речовині створюється доза

випромінювання 1 Гр.

Позасистемна одиниця – рад за секунду.

Лінійне передавання енергії

Що представляє собою лінійне передавання енергії?

Гамма-фотони й заряджені частинки з підвищеною кінетич-

ною енергією, взаємодіючи з атомами та молекулами речовини,

передають їм свою енергію у формі іонізації й електронного збуд-

ження. Оскільки в процесі цих взаємодій фотони розсіюються

і втрачають енергію, а заряджені частинки гальмуються в речо-

вині й передають енергію на іонізацію та збудження, то потоки і

фотонів, і частинок, проходячи крізь товщу речовини, слабнуть.

Це ослаблення еквівалентне ослабленню потоку енергії, що може

кількісно характеризуватися похідною сумарної енергії фотонів

та частинок за траєкторією їх руху – dЕ/dх.

Як уже зазначалося, іонізація та збудження атомів і молекул

внаслідок проходження фотонів та заряджених частинок здійсню-

ються не лише безпосередньо ними, а й під впливом вторинного

випромінювання – фотоелектронів, комптонівських електронів,

ядер віддачі. Оскільки δ-електрони, які виникають у результаті

фотоефекту й комптонівського розсіювання, можуть мати досить

значну кінетичну енергію, то, взаємодіючи з молекулами й ато-

мами за тими самими механізмами, що й первинне випроміню-

вання, вони генерують вторинні електрони другого порядку, які,

своєю чергою, спричинюють появу електронів третього порядку.

Цей процес триватиме доти, доки не вичерпається енергія вторин-

них електронів до рівнів, менших за іонізаційний потенціал, піс-

ля чого передавання енергії іонізуючого випромінювання речови-

ні припиниться.

Основною величиною, що характеризує передавання енер-

гії іонізуючого випромінювання атомам і молекулам речовини, є

ЛПЕ (лінійне передавання енергії). Ця величина показує, яка кіль-

кість енергії була передана в актах взаємодії випромінювання й

речовини на одиницю довжини треку, а це й є dE/dx. [ЛПЕ] = 1

Дж/м (позасистемна одиниця – еВ/нм).

Значення ЛПЕ істотно залежить від енергії фотонів або ча-

стинок (табл. 3.1).

Таблиця 3.1

Питома іонізація (число іонів на 1 мкм) для рентгенівських променів

Енергія фотонів, Питома іонізація Середня відстань між

кеВ кластерами, мкм

1000 15 0,20

200 80 0,04

30...80 100 0,03

8 145 0,02

Енергія, що витрачається на утворення однієї пари іонів, за-

лежить від природи речовини: для повітря вона становить 34,5 еВ,

для води – 5-30, для біополімерів – у середньому 63 еВ. Власне,

Радіологічні величини та одиниці їх виміру

Ветеринарна радіологія

на іонізацію витрачається близько 1/3 цієї кількості енергії, решта

йде на збудження молекул і теплову конверсію.

Значення ЛПЕ для іонізуючих випромінювань різних типів

істотно відрізняються (табл. 3.2).

Таблиця 3.2

Значення ЛПЕ іонізуючих випромінювань різних типів у воді

Тип випромінювання Енергія випромінювання, ЛПЕ,

МеВ еВ/нм

Рентгенівське та

γ-випромінювання 0,01...10

0,2...10

Альфа-промені 2,5 165

-//- 4 110

Дейтрони 3 20

Ядра:

Hе 8 22

С 3 410

К 1,5 3000

Для біологічних середовищ має місце аналогічна залежність

(табл. 3.3).

Таблиця 3.3

Питома іонізація (число іонів на 1 мкм) для іонізуючих випромінювань

у біологічних середовищах

Тип випромінювання Іонізуючі Питома

(енергія, МеВ) частинки іонізація

Швидкі електрони (3... 20) Електрони 8,5

Гамма-випромінювання (0,19) -//- 11

Рентгенівське випромінювання (1) -//- 15

Те саме (0,2) -//- 80

-//- (0,03...0,08) -//- 100

Нейтрони (12) Протони 290

-//- (8) -//- 380

-//- (0,9) -//- 840

-//- (0,4) -//- 1100

Альфа-випромінювання радію (5,99) Альфа-частинки 3000

Що представляє собою лінійне передавання енергії

для Оже-електронів?

В ефекті Оже, що полягає в самоіонізації збуджених атомів

під час перерозподілу в них енергії, можуть випромінюватися

електрони, енергія яких достатня для іонізації атомів і молекули.

Так, перехід електрона з вищої орбіталі на вакансію в К-оболонці

супроводжується вильотом електрона однієї з верхніх орбіталей

за межі атома. Це й є електрони Оже.

Оскільки енергія Оже-електронів не перевищує різниці енер-

гетичних рівнів відповідних електронних оболонок, їх іонізаційна

здатність реалізується в безпосередній близькості до місця вильо-

ту. Тому включення до складу молекул атомів радіоізотопів, раді-

оактивне перетворення яких супроводжується ефектом Оже, зу-

мовлює дію Оже-електронів саме на ці молекули.

Деякі радіонукліди (

125

І,

Cr,

Ga,

Тс,

111

ln) зазнають розпаду

шляхом К-захоплення або внутрішньої конверсії. При цьому во-

ни випромінюють γ-фотони або фотони рентгенівського випро-

мінювання й генерують потік Оже-електронів. Енергія більшості

з них менша за 1 кеВ. Такі низькоенергетичні електрони мають ду-

же короткий пробіг у біологічному середовищі, їх колективна дія

супроводжується вузьколокалізованим поглинанням енергії без-

посередньо біля місця розташування атомів, що зазнали радіо-

активного розпаду. Якщо випромінювачі Оже-електронів пере-

бувають за межами ядра клітини, то ефект порівняно невеликий.

Якщо ж розпад зазначених радіонуклідів відбувається в ядрі, то

ефект дуже сильний (нагадує ефект α-випромінювань та інших із

великим значенням ЛПЕ).

Що представляють собою рідко- й щільноіонізуючі випромінювання?

Якщо значення ЛПЕ поділити на енергетичну ціну одного ак-

ту іонізації, тобто визначити кількість енергії, що витрачається на

утворення однієї пари іонів, то добуте число визначатиме кіль-

кість іонів на одиницю довжини треку. Очевидно, чим більше зна-

чення ЛПЕ, тим вища щільність розташування іонів уздовж треку.

Наприклад, для високоенергетичних

γ-фотонів (ЛПЕ≈0,2 еВ/нм)

на відрізку треку 1 нм виникає в середньому лише 0,05 пар іонів, а

Радіологічні величини та одиниці їх виміру

Ветеринарна радіологія

вздовж шляху важкого прискореного ядра

К з енергією 1,5 МеВ

на 1 нм треку утворюється близько 50 пар іонів кожного знаку.

Уявлення про значення ЛПЕ для променів різних типів мож-

на отримати з табл. 3.4.

Таблиця 3.4

Середні значення ЛПЕ для випромінювань різних типів

Тип Енергія фотонів або частинок, ЛПЕ,

випромінювання МеВ кеВ/нм

Гамма-промені

Co 1,25 0,3

Електрони 1 0,25

Протони 10 4

Альфа-частинки 5 100

Нейтрони 20 7

Аналізуючи заселеність тривимірного простору іонами, які

виникли внаслідок опромінення, слід враховувати ймовірнісний

характер розподілу треків. При цьому з’ясується, що так само, як

у разі розгляду окремого треку, чим більше значення ЛПЕ, тим ви-

ща щільність розташування іонів у речовині. Із зазначеної залеж-

ності виникли поняття рідко- й щільноіонізуючих випроміню-

вань. Випромінювання з малим значенням ЛПЕ, що індукує рідке

розташування іонів, називають рідкоіонізуючим. Щільноіонізую-

че випромінювання характеризується великими значеннями ЛПЕ

й високою щільністю розташування іонів. Відповідно, характер

актів взаємодій рідко- й щільноіонізуючих випромінювань із мо-

лекулами в речовині істотно відрізняються (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Лінійне передавання енергії (ЛПЕ) для швидких електронів (1)

і протонів (2) як функція їхньої енергії Е.

Оскільки за однакових поглинутих доз у речовині виникає

одна й та ж кількість іонізованих атомів та молекул, то просторо-

вий розподіл іонів в опромінюваному об’єкті для випромінювань

із різними значеннями ЛПЕ має бути різним (рис. 3.2). Як видно,

за низьких значень ЛПЕ опромінення речовини більш рівномір-

не, ніж у разі дії щільноіонізуючих променів, коли формуються ді-

лянки з високою щільністю розташування іонів.

Рис. 3.2. Схематичне зображення розподілу актів влучань у ядро клітини

в разі рідко- (а) та щільноіонізуючого (б) випромінювань.

Очевидно, характер радіаційно-хімічних процесів у разі

опромінення рідко- й щільноіонізуючим випромінюваннями

може істотно відрізнятися: за рідкого розташування іонів знач-

ні мікрооб’єми речовини не одержують енергії й залишаються

неушкодженими, натомість щільноіонізуюче опромінення спри-

чинює локальні масові ураження молекул. Із цим пов’язана від-

мінність біологічної ефективності рідко- й щільноіонізуючих

випромінювань.

Яка структура треку для іонізуючих випромінювань

із різним значенням ЛПЕ?

ЛПЕ й будова треку. Структура треку для іонізуючих ви-

промінювань із різними значеннями ЛПЕ неоднакова. Для біль-

ших значень ЛПЕ розташування атомів і молекул в іонізованих та

збуджених станах щільніше, ніж у випадку випромінювань із мен-

шими значеннями ЛПЕ. Відповідно щільнішим є заселення шуби

треку продуктами взаємодії молекул та атомів із δ-електронами.

Густина іонізованих і збуджених хімічних форм у треці власне й

відображає ЛПЕ.

Радіологічні величини та одиниці їх виміру

Ветеринарна радіологія

Додаткові дозиметричні величини

Чим обумовлене введення додаткових дозиметричних величин?

Через відмінність просторового розподілу іонів та збудже-

них станів молекул в опромінюваній речовині або живій клітині

за різних значень ЛПЕ радіаційні ефекти за однієї й ж дози опро-

мінення можуть бути різними. Цим зумовлене введення додатко-

вих дозиметричних величин.

Що представляє собою відносна біологічна ефективність?

Відносна біологічна ефективність (ВБЕ) випромінювання –

це коефіцієнт, який характеризує відносну ефективність дії радіа-

ції з різними значеннями ЛПЕ щодо певного біологічного ефекту.

Якщо дозу взятих за стандарт променів, необхідну для інду-

кування певного ефекту даної інтенсивності прояву, позначити

, а дозу променів іншого типу, потрібну для індукування тако-

го ж ефекту такої ж інтенсивності прояву, – D

, то ВБЕ=D

Що представляє собою коефіцієнт якості іонізуючого випромінювання?

Крім ВБЕ, використовують також коефіцієнт якості іонізую-

чого випромінювання (КЯ), що показує, на яке число слід помно-

жити значення поглинутої дози, аби врахувати ефективність дії

різних типів випромінювань, котра варіює. Легко побачити, що

поняття КЯ та ВБЕ – тотожні.

Значення ВБЕ для одного й того самого типу випромінювання

можуть бути неоднаковими за різних умов опромінення й станів

опромінюваного організму. Проте в практиці нормувань і проти-

радіаційного захисту людини ВБЕ розглядають як сталу величину

й на основі цього параметра вводять коефіцієнт, що враховує бі-

ологічну ефективність іонізуючих випромінювань різних типів –

радіаційний зважуючий фактор. У нехтуванні варіабельністю ВБЕ

прихований елемент певної умовності радіаційного зважуючого

фактора. Проте використання цієї величини неминуче, бо завжди

є потреба оцінювати дію опромінення на організм за інтенсивністю

прояву його реакції на цю дію. Тому, крім доз, що мають чітке фі-

зичне визначення, застосовують допоміжні величини, які врахову-

ють поправку на специфіку біологічної дії радіації, – еквівалентну

й ефективну дози та їхні похідні. Хоча ці величини опрацьовували-

ся для радіологічного нормування умов опромінення людини, вони

повною мірою відповідають радіобіологічним дослідженням будь-

яких біологічних систем.

Що представляє собою еквівалентна доза?

Прояв радіобіологічного ефекту залежить не тільки від по-

глинутої дози, а й від типу іонізуючого випромінювання. Інак-

ше кажучи, в разі опромінення біологічних об’єктів іонізуючими

випромінюваннями різних типів за однакових значень поглину-

тої дози прояви радіобіологічної реакції можуть істотно відрізня-

тися. Так, радіобіологічна реакція на дію швидких нейтронів або

α-частинок набагато сильніша, ніж у разі опромінення γ-радіаці-

єю або рентгенівськими променями в таких самих дозах. Цим і зу-

мовлене введення поняття “якість випромінювання”, мається на

увазі його біологічна ефективність.

Оцінюючи біологічну дію випромінювань різних типів, дово-

диться вводити коефіцієнти, що враховують якість випроміню-

вання. Ці коефіцієнти є феноменологічними (бо їх визначають в

експериментах) і називаються зважуючим фактором, або коефіці-

єнтами зважування на тип випромінювання (табл. 3.5). Це безроз-

мірні величини, які показують, у скільки разів випромінювання

даного типу ефективніше щодо біологічної дії порівняно з випро-

мінюванням, дія якого береться за одиницю, – рентгенівськими

променями або

γ-радіацією.

Радіологічні величини та одиниці їх виміру