|
|
Биофиз.РЕМИЗОВ. Механика. Акустика глава 4 Некоторые вопросы биомеханики
§ 27.5. Детекторы ионизирующих излучений
Детекторами ионизирующих излучений называют приборы, регистрирующие а-, (3-, рентгеновское и у-излучения, нейтроны, протоны и т. д. Детекторы используют также для измерения энергии частиц, изучения процессов их взаимодействия, распада и т. п.
Работа детекторов основана на тех процессах, которые вызывают регистрируемые частицы в веществе.
С некоторой условностью детекторы могут быть представлены тремя группами: следовые (трековые) детекторы, счетчики и интегральные приборы.
Следовые детекторы позволяют наблюдать траекторию частицы, счетчики регистрируют появление частицы в заданном пространстве, интегральные приборы дают информацию о потоке ионизирующего излучения. Еще раз отметим условность этой классификации. Так, например, следовые детекторы можно использовать, чтобы сосчитать пролетающие частицы, от «поштучной» регистрации частиц счетчиком можно перейти к суммарной оценке потока ионизирующего излучения и т. п.
К следовым детекторам относят камеру Вильсона, диффузионную, пузырьковую, искровую камеры и толстослойные фотопластинки. Общность всех этих устройств заключается в том, что наблюдаемая частица ионизирует молекулы или атомы вещества на своем пути. Образованные ионы проявляются по вторичным эффектам: конденсация пересыщенного пара (камера Вильсона и диффузионная); парообразование перегретой жидкости (пузырьковая камера); образование разрядов в газах (искровая камера); фотохимическое действие (толстослойные фотопластинки).
Так как многие из перечисленных методов знакомы читателю по курсу физики средней школы, то в качестве иллюстрации рассмотрим лишь работу искровой камеры. Она состоит из электродов, пространство между которыми заполнено газом. Высоковольтное напряжение подается на электроды во время прохождения частицей пространства камеры, сигнал для включения напряжения поступает с других детекторов. Электроны, возникшие вдоль траектории частицы при ионизации атомов газа, ускоряются электрическим полем и производят сами ударную ионизацию. В результате на небольших участках образуется видимый глазом искровой разряд.
На рис. 27.6 показана схема узкозазорной искровой камеры. Расстояние между электродами, помещенными в камеру (горизонтальные прямые на рис. 27.6), порядка 1 см. Искровые разряды возникают перпендикулярно электродам, их совокупность указывает траекторию частицы.
В стримерной1 искровой камере расстояние между электродами 5—20 см. Высоковольтное напряжение снимается примерно через 105 с после прохождения частицы. За это время искры зарождаются только в непосредственной области первичной ионизации, созданной регистрируемой частицей. Следы частиц в стримерной искровой камере изображены на рис. 27.7.
К интегральным детекторам можно отнести фотопленки (фиксируется степень почернения после проявления пленки), ионизационные камеры непрерывного действия и др.
Рассмотрим устройство и работу ионизационной камеры непрерывного действия. Она представляет собой конденсатор К, внутри которого находится газ (рис. 27.8). При попадании излучения в газ происходит ионизация и по цепи протекает электрический ток, который обычно усиливают и измеряют. Сила тока пропорциональна числу ионов, образованных в камере в секунду, и, следовательно, потоку энергии проходящих ионизирующих частиц.
В некоторых приборах разрядка конденсатора под действием ионизирующего излучения фиксируется электрометром.
К счетчикам относят большую группу газоразрядных устройств {импульсные ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера—Мюллера), а также люминесцентные, полупроводниковые и др.
Проанализируем зависимость импульса тока I, возникающего при попадании частицы в газовый промежуток (число ионов, участвующих в одном импульсе), от напряжения Uна электродах (рис. 27.9; кривые соответствуют а- и b-частицам).
Обе кривые могут быть условно представлены шестью областями, для которых характерны различные процессы.
В области / рекомбинации часть ионов рекомбинирует. С ростом напряжения число рекомбинирующих ионов уменьшается, увеличивается число ионов, которые достигают электродов. Так как ионизирующая способность а-частиц больше, чем b-частиц, то кривые для них различны.
Область II соответствует насыщению. Все первичные ионы доходят до электродов, но вторичной ионизации еще нет. В этой области работает ионизационная камера.
В области IIIначинает проявляться вторичная ионизация, однако импульс тока при этом остается пропорциональным начальной ионизации. Число N пар ионов, присутствующих после усиления, пропорционально числу Noпервичных пар ионов, образованных ионизирующей частицей:
где k— коэффициент газового усиления (k = 103 + 106). Он зависит от конструкции счетчика и природы используемого в нем газа. Именно в этой области работают пропорциональные счетчики.
Так как Noи, следовательно, N зависят не только от вида частиц, но и от их энергии, то пропорциональные счетчики могут измерять и энергию частиц.
Область IVназывают областью ограниченной пропорциональности. Здесь еще проявляется зависимость от начальной ионизации, но к значению U4она уже пропадает. Значение U4, называемое порогом области Гейгера, зависит от конструкции счетчика, а также от давления и вида газа, используемого в нем. В этой области импульс тока становится достаточно большим и при малой начальной ионизации.
В области Vработают счетчики Гейгера—Мюллера. Здесь большой коэффициент газового усиления, но нельзя различать энергии частиц.
В области VIвозникает непрерывный газовый разряд, который приводит к быстрой порче счетчика. Области V и VIсоответствуют самостоятельному газовому разряду, который будет поддерживаться и после прекращения ионизирующего действия частицы.
В качестве примера газовых устройств рассмотрим счетчик Гейгера—Мюллера, он состоит из коаксиально расположенных цилиндрических электродов [рис. 27.10: 1 — анод (тонкая нить, натянутая вдоль оси), 2 — катод в виде напыленного на стеклянную трубку 3 металла]. Давление газа внутри счетчика 100— 200 мм рт. ст. К электродам прикладывается напряжение порядка нескольких сотен вольт. При попадании в счетчик ионизирующей частицы в газе образуются свободные электроны, которые движутся к аноду. Так как нить тонкая (диаметр около 0,05 мм), то вблизи нити электрическое поле сильно неоднородно, напряженность поля велика. Электроны вблизи нити ускоряются настолько, что начинают ионизовать газ. В результате возникает разряд, и по цепи (рис. 27.11) протекает ток.
Самостоятельный разряд в счетчике Гейгера—Мюллера необходимо погасить, иначе счетчик не прореагирует на следующую частицу. Для гашения разряда применяют радиотехнический метод и метод, основанный на добавлении в трубку многоатомных газов (самогасящиеся счетчики).
Простейшим вариантом первого метода является включение последовательно со счетчиком высокоомного резистора. При протекании тока на этом резисторе происходит значительное падение напряжения, напряжение на счетчике уменьшается и разряд прекращается. Более распространены самогасящиеся счетчики, в которых благодаря специальному газовому наполнению разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях цепи.
Электрические импульсы, возникающие во внешней цепи на резисторе, усиливают и регистрируют специальным устройством.
Принцип действия сцинтилляционного (люминесцентного) счетчика основан на том, что под действием ионизирующего излучения в некоторых веществах происходят кратковременные вспышки света — сцинтилляции. На первом этапе развития ядерной физики сцинтилляции регистрировались при визуальном наблюдении. В люминесцентном счетчике они регистрируются автоматически с использованием фотоэлектронного умножителя.
Полупроводниковые счетчики реагируют на изменение электропроводимости р—n-перехода под воздействием заряженной частицы.
Как видно, все перечисленные выше детекторы работают тогда, когда частицы производят ионизацию в определенном объеме. В связи с этим для регистрации а- и b-частиц стенки счетчиков или камер должны пропускать эти частицы. В отдельных случаях для регистрации а-излучения соответствующий источник помещается внутрь камеры, так как трудно сделать стенки камеры прозрачными для этих частиц.
Рентгеновское и у-излучения регистрируются благодаря ионизации, которую вызывают заряженные частицы, образованные при фотоэффекте, Комптон-эффекте и т. д.
Счетчики должны удовлетворять некоторым общим требованиям, связанным с эффективностью, разрешающим временем и т. д. Эффективностью называют отношение числа зарегистрированных частиц к общему числу частиц, пролетевших через счетчик. Разрешающим (или мертвым) временем счетчика называют минимальное время, которое должно разделять следующие друг за другом частицы, чтобы они не были сосчитаны как одна.
1 Стримерами называют светящиеся разветвленные каналы, образующиеся при электрическом разряде в газах.
§ 27.6. Использование радионуклидов и нейтронов в медицине
Медицинские приложения радионуклидов можно представить двумя группами. Одна группа — это методы, использующие радиоактивные индикаторы (меченые атомы) с диагностическими и исследовательскими целями. Другая группа методов основана на применении ионизирующего излучения радионуклидов для биологического действия с лечебной целью. К этой же группе можно отнести бактерицидное действие излучения.
Метод меченых атомов заключается в том, что в организм вводят радионуклиды и определяют их местонахождение и активность в органах и тканях. Так, например, для диагностирования заболевания щитовидной железы в организм вводят радиоактив; ный иод 12553J или 13153J, часть которого концентрируется в этой железе. Счетчиком, расположенным поблизости от нее, фиксируют накопление иода. По скорости увеличения концентрации радиоактивного иода можно делать диагностический вывод о состоянии щитовидной железы.
Рак щитовидной железы может давать метастазы в разные органы. Накопление радиоактивного иода в них может дать информацию о метастазах.
Для обнаружения распределения радионуклидов в разных органах тела используют гамма-топограф (сцинтиграф), который автоматически регистрирует распределение интенсивности радиоактивного препарата. Гамма-топограф представляет собой сканирующий счетчик, который постепенно проходит большие участки над телом больного. Регистрация излучения фиксируется, например, штриховой отметкой на бумаге. На рис. 27.12, а схематически показан путь счетчика, а на рис. 27.12, б — регистрационная карта.
Применяя радиоактивные индикаторы, можно проследить за обменом веществ в организме. Объемы жидкостей в организме трудно измерить непосредственно, метод меченых атомов позволяет решить эту задачу. Так, например, вводя определенное количество радиоактивного индикатора в кровь и выдержав время для его равномерного распределения по кровеносной системе, можно по активности единицы объема крови найти ее общий объем.
Гамма-топограф дает сравнительно грубое распределение источников ионизирующего излучения в органах. Более детальные сведения можно получить методом авторадиографии.
В этом методе на исследуемый объект, например биологиче-; скую ткань, наносится слой чувствительной фотоэмульсии. Содержащиеся в объекте радионуклиды оставляют след в соответствующем месте эмульсии, как бы фотографируя себя (отсюда и название метода). Полученный снимок называют радиоавтографом или авторадиограммой. На рис. 27.13 схематически показан слой I биологического препарата, содержащий радионуклиды (радиоактивные метки) и слой фотоэмульсии, в котором, после проявления, возникнут темные точки от ионизирующего излучения. В живой организм радиоактивные атомы вводятся в таком небольшом количестве, что ни они, ни продукты их распада не оказывают вреда организму.
Лечебное применение радионуклидов в основном связано с использованием g-излучения (гамма-терапия). Гамма-установка состоит из источника, обычно 60Со, и защитного контейнера, внутри которого помещен источник; больной размещается на столе. Применение гамма-излучения высокой энергии позволяет разрушать глубоко расположенные опухоли, при этом поверхностно расположенные органы и ткани подвергаются меньшему губительному действию.
Терапевтическое применение имеют и а-частицы. Так как они обладают значительной линейной плотностью ионизации, то поглощаются даже небольшим слоем воздуха. Поэтому использование а-частиц в терапии (альфа-терапия) возможно лишь при их непосредственном контакте с организмом, либо при введении внутрь организма.
Характерным примером является радоновая терапия: минеральные воды, содержащие 22286Rn и его дочерние продукты (см. §27.1), используются для воздействия на кожу (ванна), органы пищеварения (питье), органы дыхания (ингаляция).
Еще одно лечебное применение а-частиц связано с использованием потока нейтронов. В опухоль предварительно вводят элементы, ядра которых под действием нейтронов вступают в ядерную реакцию с образованием а-частиц. Облучая после этого больной орган потоком нейтронов, вызывают ядерную реакцию и, следовательно, образование а-частиц (например, реакции 105В + 10п —> 73Li + 42a или 63Li + 10n-> 31H +42a ).
Таким образом, a-частицы образуются прямо внутри органа, на который они должны оказать разрушительное воздействие. Можно ввести радиоактивный препарат в больной орган на острие иглы.
Существуют и другие приемы лечебного воздействия ионизирующим излучением радионуклидов и нейтронами.
§ 27.7. Ускорители заряженных частиц и их использование в медицине
Ускорителем называют устройство, в котором под действием электрических и магнитных полей формируется пучок заряженных частиц высокой энергии.
Различают линейные и циклические ускорители. В линейных ускорителях частицы движутся по прямолинейной траектории, в циклических — по окружности или спирали.
Наиболее известным циклическим ускорителем является циклотрон (рис. 27.14), в котором под действием магнитного поля индукции В, направленной перпендикулярно плоскости рисунка, заряженная частица движется по окружностям. Переменное электрическое поле между дуантами 1 ускоряет частицу. Согласно формуле (13.23), период Т вращения частицы не зависит от ее скорости и радиуса траектории, поэтому время прохождения частицей любой полуокружности в каждом дуанте одинаково. Оно соответствует половине периода колебаний электрического поля. Таким образом, магнитное поле обеспечивает вращение частицы по окружности, а электрическое поле — изменение ее кинетической энергии. Источник частиц 2 находится вблизи центра циклотрона, пучок ускоренных частиц 3 вылетает из циклотрона после ускорения.
Циклотрон способен ускорять протоны до 20—25 МэВ. Ограничение энергии ускоряемых частиц обусловлено релятивистской зависимостью в формуле (13.23) массы1 от скорости, что приводит к увеличению периода вращения частицы с возрастанием ее скорости. В результате этого нарушится синхронность между движением частицы и изменением электрического поля. Электрическое поле будет не ускорять, а замедлять частицы. В связи с этим в циклотроне нельзя ускорять электроны, так как они быстро достигают релятивистских скоростей.
Из этого затруднения можно найти выход, изменяя частоту электрического поля в соответствии с изменением периода вращения заряженной частицы. Такой ускоритель называют фазотроном (синхроциклотроном), он способен ускорять протоны до энергии
ГэВ. Можно предположить и другое решение вопроса: по мере возрастания массы увеличивать индукцию магнитного поля. Как видно из формулы (13.23), в этом случае можно сохранить период вращения частицы неизменным. Ускоритель такого типа называют синхротроном.
Для ускорения тяжелых частиц до энергий порядка гигаэлектрон-вольт и выше используют синхрофазотрон, в котором изменяют и магнитное поле, и частоту электрического поля.
Довольно распространенным ускорителем электронов невысоких энергий является бетатрон. В отличие от других циклических ускорителей в нем электрическое поле не подается от внешних источников, а создается при изменении магнитного поля (явление электромагнитной индукции).
На рис. 27.15, а схематически показано, что при изменении магнитного поля электромагнита 1 возникает, согласно теории Максвелла, вихревое электрическое поле. В зазоре 2 магнита расположена вакуумная камера, в которой ускоряются электроны. Силовые линии электрического поля в виде концентрических окружностей проходят в плоскости, перпендикулярной плоскости рис. 27.15, а. На рис. 27.15, б изображена отдельная линия напряженности электрического поля, которая приближенно совпадает с траекторией электрона. На этом рисунке линии вектора В в основном перпендикулярны плоскости чертежа, магнитная индукция возрастает.
Электрон удерживается на орбите магнитным полем (сила Лоренца) и ускоряется электрическим.
Бетатроны способны ускорять электроны до десятков мегаэлектрон-вольт. В настоящее время бетатроны используют главным образом в прикладных целях, в том числе и медицинских. Остановимся на медицинских приложениях ускорителей. Ускорители заряженных частиц применяют как средство лучевой терапии в двух основных направлениях.
Во-первых, используют тормозное рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов, ускоренных бетатроном. Использование тормозного излучения оказывается более эффективным, чем гамма-терапия.
Во-вторых, используют прямое действие ускоренных частиц: электронов, протонов. Электроны ускоряются бетатроном, а протонный пучок получают от других ускорителей.
Как видно из рис. 27.3, заряженные частицы, в том числе и протоны, наибольшую ионизацию производят перед остановкой. Поэтому при попадании пучка протонов в биологический объект извне наибольшее воздействие будет оказано не на поверхностные слои, а на опухолевые ткани, которые расположены в глубине организма. В этом основная выгода применения заряженных частиц для лучевой терапии глубинных опухолей. Поверхностные слои в этом случае повреждаются минимально.
Малое рассеяние протонов позволяет формировать узкие пучки и, таким образом, очень точно воздействовать на опухоль. Наряду с лечебным применением ускорителей в последние годы открылись возможности использования их в диагностике. Здесь можно указать две области.
Одна — ионная медицинская радиография. Суть метода заключается в следующем. Пробег тяжелых заряженных частиц (а-частицы, протоны) зависит от плотности вещества. Поэтому если регистрировать поток частиц до и после прохождения объекта, то можно получить сведения о средней плотности вещества.
Таким образом, так же как и при рентгенографии, возможно различать структуры большей и меньшей плотности. Преимущество у этого метода перед рентгенографией — более низкая контрастность, что позволяет лучше различать структуру мягких тканей.
Другая область применения связана с синхротронным излучением.
Синхротронным излучением называют интенсивное ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение, которое испускают электроны, движущиеся по круговой орбите со скоростями, близкими к скорости света. Впервые это излучение как световое наблюдалось на синхротронах, поэтому оно и называется синхротронным. Синхротронное излучение в целях диагностики применяют аналогично обычному рентгеновскому излучению. Одно из преимуществ синхротронного излучения перед рентгеновским заключается в возможности поглощения этого излучения преимущественно некоторыми элементами, например иодом, который может иметь повышенную концентрацию в тканях. Отсюда возникают условия для ранней диагностики злокачественных опухолей.
Отметим, что синхротронное излучение начинают также применять и в лучевой терапии.
1 В настоящее время в физической литературе принято использовать релятивистскую зависимость импульса от скорости частицы. Здесь эти подробности не рассматриваются.
ГЛАВА 28
|
|
|
Скачать 9.74 Mb.