Курс лекций. Лекция Введение в радиобиологию. Тема физические основы радиоэкологии лекция 2 Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер
 Скачать 3 Mb.
|
|
Тема 2. ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ РЕГИСТРАЦИИ Лекция 4. Дозы излучения и их биологические эквиваленты. Дозы ионизирующих излучений и единицы их измерения. Линейная передача энергии и относительная биологическая эффективность. Виды облучения. Понятие «малые дозы» и их биологическое действие на живые организмы. Радиационный гормезис. Для оценки радиационного эффекта необходимо знать как количественную сторону процесса – величину поглощенной энергии, так и качественную его сторону – распределение этой энергии в пространстве и времени. 1. Дозы ионизирующих излучений и единицы их измерения. Доза – количество поглощенной энергии излучения от ионизации в рассматриваемом объеме (массе) вещества. Так как имеются существенные различия между действием радиации на неживое и живое вещество, а также реакциями различных органов и тканей на разные виды излучения, то принято различать несколько разновидностей доз: экспозиционная, поглощенная, эквивалентная, эффективная и др. Экспозиционная доза (Dэ) служит количественной мерой действия ионизирующего излучения падающего на объект. Она характеризует ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей в воздухе. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию квантового излучения в определенной массе воздуха и только при значениях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков кэВ до 3 МэВ. Физическое воздействие любого ионизирующего излучения на вещество связано, прежде всего, с ионизацией атомов и молекул. Исходя из этого, экспозиционная доза равна отношению электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе, при его облучении фотонами, к массе воздуха: Dэ = q/М За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг). 1Кл/кг равен экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1кг сухого атмосферного воздуха создаются ионы, несущие электрический заряд каждого знака, равный 1 Кл До настоящего времени используется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). 1Р = 2,58*10-4 Кл/кг 1 рентген равен экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см3 воздуха (0,001293г сухого воздуха) при нормальных условиях (t=0°С и р=1013 ГПа) в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излучением, образуется 2,08*109 пар ионов. Такая доза накапливается за 1ч на расстоянии 1м от радиоактивного препарата радия массой 1г. Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см3 воздуха составляет 2,08*109*34 = 7,08*104 МэВ = 0,114 эрг/см3, или в 1г воздуха 88 эрг (0,114/0,001293г = 88 эрг). Производные единицы рентгена: килорентген (1кР = 103Р), миллирентген (1мР = 10-3Р), микрорентген (1мкР = 10-6Р). Для измерения экспозиционной дозы существует простой физический метод, заключающийся в измерении суммарного заряда ионов, образовавшихся под действием радиации в воздушной ионизационной камере. В биологическом отношении очень важно знать не просто дозу излучения, которую получил объект, а дозу, полученную в единицу времени. Скорость приращения экспозиционной дозы (накопление дозы в единицу времени) в поле излучения называется мощностью экспозиционной дозы (Рэ): Рэ = Dэ/t Единицей мощности экспозиционной дозы в СИ служит ампер на килограмм (А/кг), внесистемная единица – рентген в час (Р/ч) или рентген в минуту (Р/мин) и т.д. Часто используют мР/ч, мкР/ч. Иногда в качестве единицы мощности экспозиционной дозы используют кулон на килограмм в секунду (Кл/кг*с-1). Так, если в облученном воздухе измерен ток в 1 мкА/кг, это соответствует 1 мкКл/кг*с-1. Для оценки действия излучения на конкретный объект гораздо важнее определить энергию поглощенную им, чем энергию, падающую на объект или прошедшую через него. В данном случае универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощенная доза. Поглощенная доза (Dп) – энергия ионизирующего излучения, переданная массе вещества. Dп = Е/m Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является грей (Гр). Один грей соответствует поглощению 1 джоуля энергии (Дж) в килограмме поглощенного вещества: 1 Гр = 1 Дж/кг Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. Один рад соответствует поглощенной веществом энергии любого ионизирующего излучения, равной 100 эрг/г: 1 рад = 2,39*10-6 кал/г = 0,01 Дж/кг Соотношение новой единицы к старой выражается так: 1 Гр = 100 рад (1 рад = 0,01 Гр). Поглощенная доза несомненно зависит от экспозиционной дозы. Если известны величины экспозиционной дозы и коэффициента поглощения ткани, то можно рассчитать поглощенную дозу. Экспериментально установить величину поглощенной дозы сложно. Выполнить это можно, если тканеэквивалентные дозиметры с детекторами установить в полости тела или в его модели – фантоме. Мощность поглощенной дозы определяется как приращение дозы в единицу времени и рассчитывается по отношению поглощенной дозы излучения ко времени облучения: Рп = Dп/t Единица мощности поглощенной дозы – грей в секунду (Гр/с), а внесистемная единица – рад в секунду (рад/с). 2. Линейная передача энергии и ее биологическая эффективность Средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины ее пробега в веществе, называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). За единицу этой величины принимают 1 кэВ на 1 мкм пути (1кэВ/мкм = 62 Дж/м). ЛПЭ зависит от вида заряженной частицы, ее энергии и плотности вещества поглотителя. Однако величиной ЛПЭ характеризуют не только заряженные частицы, но и нейтральные частицы и электромагнитные излучения, так как при прохождении их через вещество в результате взаимодействия с атомами и молекулами возникает вторичное излучение (ускоренные электроны, протоны и др.) которое характеризуется ЛПЭ (табл. 4.1.) Таблица 4.1. ЛПЭ в мягких биологических тканях для различных излучений (А.В. Аверьянова и др., 1992)
В зависимости от величины ЛПЭ, а следовательно, от плотности ионизации, все ИИ делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим излучениям обычно относят рентгеновское, γ- и β-излучение, а к плотноионизирующим – тяжелые заряженные частицы. Но ЛПЭ однозарядных частиц в основном зависит от их скорости (а не от массы), соответственно тяжелые частицы при высоких скоростях могут ионизировать вещество меньше, чем электроны малой энергии. Поэтому к редкоионизирующим принято относить все виды излучения (независимо от их природы) для которых ЛПЭ не превышает 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим – те у которых ЛПЭ более 10 кэВ/мкм. ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэтому в конце пробега передача энергии заряженной частицей веществу максимальна, что приводит к характерному распределению ионизации (каждая заряженная частица создает больше ионов на единице пути, чем вначале). Эта зависимость получила название кривой Брега с максимумом в конце пробега – пиком Брега (рис. 4.1).  Рис. 4.1 Кривая Брега Самой высокой удельной ионизацией из всех ионизирующих излучений обладают α-частицы. Так пробегая в воздухе расстояние всего до 10 см, одна частица на каждом сантиметре пути вызывает образование десятков тысяч пар ионов, а β-частица на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (пробегая в воздухе 25 м). Фотоны электромагнитных ИИ, пробегая в воздухе сотни метров, имеют минимальную плотность ионизации. Таким образом, величина ЛПЭ характеризует разные типы ионизирующих излучений и играет важную роль в проявлении радиобиологических реакций организма. Относительная биологическая эффективность разных видов ИИ При описании физических основ биологического действия радиации указывалось, что воздействие разными видами излучений, но в равных поглощенных дозах приводит к различным по величине эффектам. Это свойство излучения, часто называемое его качеством, определяется не столько физической природой излучения, сколько его ЛПЭ. Для количественной оценки качества излучения введена специальная величина «относительная биологическая эффективность излучения» (ОБЭ). ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного излучения4, обусловливающей тот же эффект: ОБЭ = D0/Dх, где D0 – доза стандартного излучения, Гр; Dх – доза изучаемого излучения, Гр. Как правило, в качестве биологического эффекта в данном случае используется выживаемость, частота возникновения аберраций, опухолей, изменение продолжительности жизни и т.д. ОБЭ для электромагнитных излучений может изменяться в пределах 0,8-1,5. Для редкоионизирующих излучений с энергией менее 3 МэВ (ЛПЭ<3кэВ/мкм) значение ОБЭ близко к 1. Значения ОБЭ нейтронов с энергией 10-20 МэВ обычно близко к 10, для протонов и дейтронов получены аналогичные значения. ОБЭ α-частиц и ускоренных тяжелых ионов достигает 20. Как уже отмечалось выше, от плотности образования ионов в веществе при прохождении ИИ (характеризуется ЛПЭ) зависит и степень повреждения биологического объекта, следовательно, величина ОБЭ зависит от ЛПЭ (рис. 4.2. Д. Баренденсен, 1968).  Рис. 4.2. Зависимость ОБЭ от ЛПЭ Кроме того величина ОБЭ в определенной степени зависит от еще от целого ряда факторов: величины и мощности дозы, ее фракционирования, физиологического состояния объекта, количества в среде облучения кислорода и др. Часто невозможно достичь соответствия условий измерения радиобиологического эффекта от доз D0 и Dх (например при облучении крупных животных – лошадей, коров и др., очень сложно достичь равномерного распределения дозы во всех органах и тканях), поэтому при получении разности в эффектах облучения при равных дозах говорят не об ОБЭ, а об отношении равных эффектов доз. В связи с этим в радиобиологии введено понятие эквивалентной дозы. Биологическое действие одинаковых доз разных видов излучений на организм неодинаково. Это связано с удельной ионизацией излучения (ЛПЭ). Чем выше ЛПЭ, тем больше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ), или коэффициент качества излучения Кк (округленное значение ОБЭ). Таблица 4.2. Коэффициенты качества ионизирующих излучений
Эквивалентная доза (Дэкв) учитывает биологическую эффективность различных видов ионизирующих излучений. Ее величина определяется произведением поглощенной дозы Dп на коэффициент качества излучения: Дэкв = Dп*Кк. Если идет облучение различными видами излучения одновременно, то эквивалентная доза равна сумме поглощенных доз от каждого вида излучения, умноженной на коэффициент качества этого вида излучения: |