10

Билет № 10.

1. Ионизационный метод регистрации ИИ (принцип метода, вольт-амперная характеристика газового разряда, ионизационные камеры и газовые счетчики).

Ионизационный метод регистрации ИИ основан на обнаружении ионных пар в чувствительной среде. Способ детектирования может быть различным и в зависимости от этого датчики имеют разную конструкцию.

Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии свободных зарядов в газе между электродами возникает ток, пропорциональный скорости возникновения зарядов и, соответственно, мощности дозы облучения. Отличительной особенностью ионизационной камеры, в отличие от других газонаполненных датчиков, является сравнительно малая напряженность электрического поля в газовом промежутке, таким образом ток не зависит от напряжения на электродах и равен произведению заряда электрона на число пар ионов.

В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении.

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом.

Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.

Газоразрядные датчики:

Датчик имеет чувствительный объем, заполненный газом в котором находятся два электрода. К электродам приложена разность потенциалов. Работа такого датчика основана на определении силы ионизационного тока, возникающего в чувствительном объеме под действием ИИ.

Газоразрядные датчики работают в различных областях вольтамперной характеристики (ВАХ) газового разряда, которая имеет несколько ясно различимых участков (рис.2). (Газовым разрядом называют прохождение электрического тока через газ).

Область закона Ома. В этой области наряду с первичной ионизацией молекул газа,

вызванной ионизирующей частицей имеет место рекомбинация ионов. Вследствие этого не все образовавшиеся ионы достигают электродов, поэтому увеличение напряжения на электродах приводит к пропорциональному росту силы тока.

Область ионизационной камеры. Увеличение силы тока продолжается до некоторого значения напряжения и далее выходит на плато. На этом участке она не зависит от

разности потенциалов на электродах, а определяется только количеством ионов, которые образуются под действием ионизирующей частицы в объеме датчика.

Пропорциональная область (область несамостоятельного газового разряда). В этой области напряжение на электродах столь велико, что ионы, образовавшиеся в результате первичной ионизации, приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы на пути своего пробега произвести вторичную (ударную) ионизацию. В свою очередь, вновь образованные ионы ускоряются электрическим полем и ионизируют новые молекулы. Возникает лавинный разряд, который получил название несамостоятельного. Он прекращается, как только все носители зарядов достигнут соответствующих электродов. Нарастание ионизационного тока в результате несамостоятельного газового разряда называется газовым усилением, которое характеризуется коэффициентом газового усиления k. Коэффициент газового усиления численно равен отношению числа ионов N, достигших электродов, к первоначальному числу ионов N0, образовавшихся при первичной ионизации. Коэффициент газового усиления в этой области не зависит от первоначального числа ионов, образованных частицей и изменяется от единицы в начале области и до 1000 в конце ее. Область ограниченной пропорциональности. В этой области коэффициент газового усиления сильно возрастает по абсолютной величине и зависит от начальной ионизации – чем меньше первичная ионизация, тем быстрее растет коэффициент газового усиления. Это приводит к сближению кривых с разной начальной ионизацией в конце этой области.

Гейгеровская область (область самостоятельного газового разряда). На этом участке ВАХ сила тока не зависит от величины первичной ионизации. Каждый электрон, возникший в объеме датчика под действием ионизирующей частицы, вызывает вспышку самостоятельного разряда, который поддерживается за счет вновь образующихся носителей заряда.

Область самопроизвольного разряда Дальнейшее повышение напряжения приводит к развитию самопроизвольного газового разряда, возникающего без первичной ионизации.

Вэтом случае датчик не пригоден для измерения и может выйти из строя вследствие пробоя.

Взависимости от рабочего напряжения на электродах газоразрядные датчики делят на две большие группы: ионизационные камеры, работающие во 2-ой области ВАХ газового разряда и газовые счетчики, работающие в 3-ей (пропорциональные счетчики) и 5-ой области (счетчики Гейгера-Мюллера).

2. Прямое и непрямое действие ИИ. Радиолиз воды. Эффект Дейла. Кислородный эффект.

Прямое действие излучения в широком смысле слова - возникновение повреждения в той же молекуле, на которой произошла адсорбция энергии излучения. Это сложная

последовательность событий, происходящих в макромолекуле от момента передачи энергии излучения до появления стойких структурных и функциональных изменений. Прямое действие включает в себя поглощение энергии (ионизацию, возбуждение и сверхвозбуждение), процессы переноса энергии и образование стабильных пораженных молекул.

При косвенном (непрямом) действии излучения поглощение энергии и ответная реакция наблюдаются в разных молекулах. Непрямое действие считают обусловленным влиянием свободных радикалов, индуцируемых излучением в непосредственной близости от рассматриваемой молекулы.

Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Непрямое действие включает себя радиолиз, реакции продуктов радиолиза с растворенными веществами и реакции возникших биорадикалов с образованием стабильных конечных продуктов. Непрямое действие в растворах обусловлено действием продуктов радиолиза воды, которой в живых клетках до 90% .

Радиационно-химический выход (G)- количество образовавшихся или измененных продуктов на 100 эВ поглощенной энергии.

Радиолиз воды. Эффект Дейла.

Процесс взаимодействия излучения с водой можно разделить на три стадии:

Физическая, продолжительность 10-13 сек. На этой стадии образуются главным образом Н2О+ и вторичные электроны, кроме того, образуются возбужденные молекулы воды в местах, находящихся дальше от пути заряженной частицы.

Физико-химическая: продолжительность 10-11 сек. На этой стадии возбужденные молекулы, электроны, ионы претерпевают превращения, в результате возникают радикалы

Н·, ОН·, е - aq

Химическая: продолжительность 10-9 - 10-3 сек. Радикальные продукты вступают в различные химические реакции. В местах их высокой концентрации («шпурах») происходит рекомбинация с образованием молекулярных продуктов Н2 и Н2О2. Радикалы, избежавшие рекомбинации, реагируют в объеме раствора с растворенными веществами или рекомбинируют.

Радиолиз в присутствии кислорода.

Кислород -эффективный акцептор атомов водорода. Поэтому в присутствии кислорода не происходят некоторые обратные реакции. Реагируя с Н· кислород образует гидроперекисные радикалы НО2·

Эта реакция происходит всегда, когда в растворе присутствуют хотя бы следы кислорода. Радикалы НО2·, реагируя между собой дают дополнительное количество перекиси водорода.

Кроме того, e -aq + O2 =(супероксиданион радикал) ·OO- или O2·-.

Общее уравнение радиолиза воды - уравнение Харта:

Н2О = aH2 + bH2O2 + cH· + dOH· + eHO2· + fe-aq +…

Затем происходят реакции первичных реакционно-способных продуктов с растворенными молекулами(отрыв водорода, реакции диссоциации и реакции присоединения). Во всех случаях образуются радикалы биомолекул.

Биорадикалы ведут к образованию конечных стабильных продуктов(реакции димеризации и присоединения, диспропорционирования и реакции присоединения кислорода).

Супероксидный радикал и продукты его метаболизма (H2O2, HO·, ·OO–, ClO–) называют активными формами кислорода. Относительная реакционная способность активных форм кислорода выглядит следующим образом (в порядке повышения):

О2-· < 1О2 < ОН·

Активные формы кислорода реагируют с критическими компонентами клетки, являются потенциальными токсическими веществами и вовлечены в процессы биологической инактивации и канцерогенеза.

Критерием косвенного действия является эффект Дейла: независимо от разведения раствора абсолютное число поврежденных молекул остается постоянным,а изменяется лишь их отношение к числу неповрежденных молекул.

Кислородный эффект в радиобиологии — свойство молекулярного кислорода,

присутствующего в клетках и тканях, усиливать биологическое действие ионизирующих излучений. Впервые изучен Л.Грэем.

Изменение содержания кислорода перед облучением — один из способов модификации радиочувствительности.

Количественной характеристикой оценки радиомодифицирующего эффекта кислорода является коэффициент кислородного усиления (ККУ / Oxygen Enhancement Ratio – OER) - частный случай ФИД.

ККУ = D0 в условиях аноксии (или гипоксии) / D0 в нормальных условиях или ККУ = ЛД50 в условиях гипоксии / ЛД50 в нормальных условиях. ККУ = 1/D0 в присутствии кислорода / 1/D0 в аноксии = m[O2] + k / [O2] + k , где m - максимальное значение ККУ, наблюдаемое при облучении клеток в условиях полной оксигенации; k – константа, зависящая от типа клеток.

3. Действие ионизирующей радиации на эмбрион и плод.

Радиоактивные вещества, задерживающиеся в организме на долгое время, вызывают значительные поражения в клетках половых органов. После облучений половых желез уменьшается число половых клеток, отмечаются многочисленные хромосомные аномалии у сперматозоидов, увеличивается процент атипичных форм среди них, уменьшается количество эякулята, наступает стерильность. Для выключения функции яичников необходимо облучение при терапевтической дозе около 350 рад. Доза облучения 250 рад приводит лишь к временной стерильности на протяжении 1 - 3 лет. У экспериментальных животных в отдаленные сроки происходит атрофия яичек. Под действием ионизирующей радиации удлиняется и нарушается эстральный цикл у самок, отмечается большой процент уродств плодов, снижается плодовитость животных вследствие гибели зародышей на разных стадиях эмбрионального развития, уменьшается число потомства в пометах. Это зависит от степени развития лучевой болезни у матери и от наличия

радиоактивного вещества в организме плода. Радиоактивные элементы из организма беременных самок проникают через плаценту в плод и тем самым вызывают его гибель. Организм эмбриона и плода обладает крайне высокой радиочувствительностью (конгломерат из делящихся клеток). Облучение в этот период даже в незначительных дозах (> 0,1 Гр) вызывает тератогенные эффекты в виде различных пороков развития, задержки умственного развития и уродств.

Риск облучения плода:

•Риск облучения плода во время беремен-ности связан с её стадией и полученной дозой

•Риск считается наиболее значительным во время органогенеза в раннем периоде

•Риск снижается после трёх и особенно после шести месяцев беременности

Пороки развития имеют порог дозы 100-200 мГр или выше и обычно связаны с проблемами центральной нервной системы. Доза облучения плода равная 100 мГр не достигается даже после трёх РКТ сканирований таза или 20 обычных рентгенографических снимков. Эта доза может быть достигнута при интервен-ционных процедурах таза, использующих флюо-роскопию и при радиотерапии.

Влияние на центральную нервную систему (ЦНС)

•В течение 8-25 недель после зачатия ЦНС наиболее чувствительна к радиации

•Дозы на плод, превышающие 100 мГр, могут снизить IQ (intelligence quotient)

•Доза облучения плода порядка 1 Гр мо-жет быть причиной серьёзной умственной отсталости, особенно, если она получена через 8-15 недель после зачатия и в меньшей степени после16-25 недель.

Лейкоз и рак

•Радиационное облучение увеличивает риск заболевания детей и взрослых лейкозом и раком разных типов

•Считается, что риск канцерогенного эффекта при облучении плода во время беременности сопоставим с риском облучения детей

•Величина относительного риска может доходить до 1,4 (заболеваемость на 40% выше чем обычно) при облучении плода дозой10 мГр

•Однако, индивидуальный риск мал и равен примерно одной дополнительной смерти от рака для детей в возрасте 0-15 лет на 1,700 детей, получивших до рождения дозу 10 мГр

Беременные работницы могут работать с излучением, если есть гарантия, что доза облучения плода может оставаться меньше, чем: 1 мГр за весь период беременности, 1 мГр – это примерная доза, которую по-лучает человек от естественного радиационного фона.

4. Методы радиотерапии.

Раздел ядерной мед,занимаю-ся терапией онколог и нек кожных заб-й. Используют:корпускульрные(р+, н, е-)

Фотонные (ТРИ,у)

1.Контактаная(Брахитерапия)

2.Дистанционная(Телерадиотерапия)

1.Контактаная(Брахитерапия):

Контактное воздействие производится при непосредственном приложении источника излучения к ткани опухоли, производится интраоперативно или при поверхностно расположенных новообразованиях

-Внутриполостная:

-закрытые источники(у излучение); использование интрастатов/эндостатов

Вводят вручную или автолодингом Рн: 60Со, 137Сs(бета -, у)

252Сf, 192In,(n, y)

Препараты в виде гранул,покрытых золотом или платиной.

-внутритканевая -открытые источники(бетаизл);

местно в ткань(малораст)

силикат 90У

хромофосфат 32Р коллидное 198Аи

в/в Na131I

Требования к Рн внутриткан -бета распад с испусканием электронов высокой энергии.Желательно отс у изл

-время полураспада д.б. оптимальным для развития терапевтического эффеката(нес дней)

Иммунорадиотерапия

Моноклональные АТ+РН; Зевалин90У

Аппликационная радиотер (аппликаты заполненные рн)

Рн-бета излучение высокой энергии; 90Sr/ 90У, 32Р

2.Дистанционная(Телерадиотерапия)

1.Фотонная

Рентгенотерапия

-близкодитсационная(короткофокусная), E=30-100кэВ - среднедистационная(ортовольная), 180400 кэВ

Проводят с помощью рентгенотерапевтических аппаратов. Для облучение с короткого расстояния патол очагов,рапсоложенных на поверхности тела и слизи оболочке полых органов.

-дальнедистационная(мегавольтная), 5-40 МэВ,проводят на мед ускорителях,глубоко залег опухоли

У терапия

В качестве рн источника у излу используют кобальт 60 и цезий 137.

Коллиматор позволяет формировать поля облучения с заданным дозным распределением. У аппарат:см рисунок,состоит из:источник у излуч, кассета,коллиматор,световой имитатор,свинцовая защита.

2.Корпускулярная

Бета радиот

Мед ускоритель,предназначен для получения электронов и фотонов ТРИ высоких энергий(25-40 МэВ)

Состоит из:темоэмиссионный катод,управляющий эдектрод,секционный анод,коллиматор,корпус.см рисунок

Адронная терапия

Пучки ТЗЧ высоких энергий получают на мощных ускорителях.

Особенности взаимодествия ТЗЧ с веществом(наличие пика Брегга) позволяет ипозьвать эти виды ИИ для терапии опухолей.см рисунок

Нейтронная терапия НЗТ - Нейтрон-захватная терапия —в опухоль вводят препарат(лекарство), содержащий

бор или гадолиний, и облучают ее пучком тепловых нейтронов. Бор или гадолиний являются усилителем действия внешнего нейтронного излучения. Т.е. если в опухоли окажутся атомы бора или гадолиния, они, поглощая нейтроны, начнут испускать высокоэнергетическое излучение, разрушающее раковые клетки Лекарство обладает способностью накапливаться только в опухоли, поэтому здоровые ткани практически не страдают.

Молекулы носители:BSH, BPA

Нейтронсоударная терапия

Терапевтический эффект достигается за счет образования ядер отдачи при взаимодействии быстрых нейтронов с легкими я.Источниками нейтронов:реакторы,ускорители, 252Сf.