Дозиметрия ионизирующего излучения

Дозиметрия ионизирующего излучения. Поглощенная, экспозиционная, эквивалентная дозы. Связь между ними и единицы их измерения. Методы расчёта поглощённой и эквивалентной доз.

Дозиметрией называют раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором излучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Основной характеристикой действия ионизирующего излучения на вещество является энергия ионизирующего излучения, поглощенного единицей массы вещества за время облучения. Эту характеристику называют поглощенной дозой излучения Д_n.

Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является 1 Дж/кг (Грей). Внесистемная единица поглощенной дозы 1 рад (1 рад = 10^-2Дж/кг = 100 эрг/г).

Поглощенная доза зависит как от природы и свойств излучения (от энергии частиц), так и от природы вещества, в котором оно поглощается.

Непосредственное измерение поглощающей дозы в веществе, в глубине тканей живого организма затруднительно. Поэтому оценивают поглощенную телом дозу по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем тело. Вводят в связи с этим экспозиционную дозу Д_о, которая является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и -лучами. Единицей экспозиционной дозы в СИ является Кл/кг. На практике применяют рентген.

Рентген есть экспозиционная доза рентгеновского или -излучения, при которой в результате полной ионизации в 1 см³ сухого воздуха (при 0⁰С и 760 мм рт.ст.) образуются ионы, несущие заряд в одну электростатическую ед. количества электричества каждого знака. Экспозиционная доза в 1 Рентген соответствует образованию 2,0810⁹ пар ионов в 0,001293 г сухого воздуха 1Р=2,5810^-4Кл/кг.

Дозу (поглощенную и экспозиционную), отнесенную к единице времени, называют мощностью дозы.

Д_ЕД – Эквивалентная доза излучения – поглощенная доза излучения Д_п, умноженная на средний коэффициент k качества излучения для биологической ткани стандартного состава и на модифицирующий фактор N – произведение коэффициентов, которое в настоящее время принимается равным единице:

Д_ЕД = Д_П kN =  Д_j k_j N_j , где j – индекс вида и энергии излучения.

Единица измерения – Зиверт; внесистемная – бэр (1 БЭР = 0,01Гр (Зв))

Коэффициент ОБЭ – отношение поглощенной дозы Д₀ образцового излучения, вызывающей определенный биологический эффект, к поглощенной дозе Д рассматриваемого излучения, вызывающей тот же самый биологический эффект.

Интегральная доза излучения – общая доза ионизирующего излучения, поглощенная всей массой облучаемого тела или среды.

«СИ» - Джоуль (Дж), Кулон (Кл). Внесистемные – грамм·рад, грамм·рентген.

Р-- мощность дозы (для поглощения – Вт/кг и рад/с; для экспозиционной дозы – А/кг, Р/час или мкР/с)

Между поглощенными и экспозиционными дозами существует следующая связь:

Д_n=fД_о, где f – переходный коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов (для воздуха f=0,88 и мало зависит от энергии фотонов).

Коллективная эквивалентная доза - сумма индивидуальных эквивалентных доз Д_i у данной группы людей: S= Д_iР_I, где Р_I - число лиц в данной группе, получивших эквивалентную дозу Д_i .

Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, их природа. Свойства рентгеновского излучения

Устройство рентгеновской лампы, регулировка спектра тормозного излучения. Характеристическое излучение. Закон Мозли. Линейный и массовый показатель ослабления излучения, их зависимость от жёсткости излучения. Использование рентгеновского излучения в диагностике и лучевой терапии. Методы защиты от рентгеновского излучения.

Рентгеновским излучением называется электромагнитные волны с длиной ~ от 80нм до 10^-5нм (в медицине 10  510^-3нм). По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое. Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней. Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.

Рентгеновская трубка состоит из подогреваемого катода и анода, заключенных в баллон с высоким вакуумом (10^-7мм рт. ст.). Между катодом и анодом приложено напряжение порядка 10⁵В. Освобожденные из катода электроны, ускоряются электрическим полем и, двигаясь к аноду, достигают скоростей порядка сотен тысяч км/с (в зависимости от величины напряжения между анодом и катодом). Достигнув анода, электроны резко затормаживают при взаимодействии с веществом анода. При этом происходит превращение части кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного излучения; однако большая часть энергии электронов превращается в энергию молекулярно-теплового движения частиц анода, что вызывает его сильное нагревание (поэтому анод изготавливают из хорошо теплопроводящего материала, например, меди). Возникающее электромагнитное излучение называют тормозным рентгеновским излучением. Его механизм объясняют следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и, в соответствии с теорией Максвелла, появляется электромагнитная волна.

Тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр.

Рентгеновское излучение, возникающее при торможении потока электронов электростатическим полем атома называется тормозным, его спектр является непрерывным. В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение _min возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию кванта:

, откуда: .

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким излучением, а длинноволновое – мягким излучением.

Линейчатый спектр на фоне непрерывного спектра возникает из-за столкновения движущихся электронов с электронами атома, которые находятся на внутренних энергетических уровнях.

Это происходит при больших напряжениях на рентгеновской трубке. Поток электронов выбивает атомный электрон A из внутреннего энергетического уровня, и атом переходит в возбужденное состояние. При этом электрон с внешнего энергетического уровня B переходит на освободившееся место. Это приводит к излучению энергии, величина которой равна разности энергии энергетических уровней. Такое рентгеновское излучение называется характеристическим. Его спектр является линейчатым. Вид этого спектра зависит от используемого химического элемента мишени.

Характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, M и т.д. Так как при излучении K-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.

В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Это обусловлено тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, т.к. силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.

Мозли установил простой закон, связывающий частоты спектральных линий с атомным номером испускающего их элемента:

, где  – частота спектральной линии; Z – атомный номер испускающего элемента; A и B – постоянные.

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии ионизации А_и имеют место три главных процесса:

Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинно­волнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его принято называть когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А_и.

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны принято называть некогерентным, а само явление — эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации): hv > А_и.

Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Явления, наблюдаемые при действии рентгеновского излучения на вещество:

Рентгенолюминесценция — свечение ряда веществ при рентгеновском облучении.

Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример — воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.

В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом: Ф = Ф₀е^-х , где  — линейный коэффициент ослабления. Его можно пред­ставить состоящим из трех слагаемых соответствующих когерентному рассеянию _к, некогерентному _нк и фотоэффекту _ф: Линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества.

Линейный коэффициент поглощения вещества увеличивается при увеличении атомного числа и плотности и зависит от энергии падающего рентгеновского излучения. В общем случае  увеличивается при уменьшении энергии рентгеновского излучения.

Поэтому предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества: _m = .

Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения — просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).

Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60 — 120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально ³), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого из­лучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя:

где k — коэффициент пропорциональности.

Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.

Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия — изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография — изображение фиксируется на фотопленке.

Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть сделана большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии — флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана.

Интересным и перспективным вариантом рентгенографии является метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» — компьютерная томография.

Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно в противоположных направлениях перемещать рентгеновскую трубку и фотопленку относительно объекта исследования. Т.о. получается послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название — томография (послойная запись).

С лечебной целью рентгеновское излучение применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований (рентгенотерапия).

Радиоактивный распад. Виды распада. Основной закон радиоактивного распада. Активность. Удельная, массовая и поверхностная активность.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯДЕР АТОМОВ.

1.Электрический заряд ядра. Заряд определяется числом протонов Z, входящих в состав ядра, и соответствуют порядковому номеру элемента в таблице Менделеева:

q_я = Z e, где q_я - заряд ядра, е - положительный заряд, равный заряду электрона.

2. Масса ядра. Массу ядра выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/12 массы ядра изотопа углерода с массовым числом 12.

1 а.е.м. = (1,66043  0,00031) х 10^-27 кг.

3. Массовое число. Ближайшее к атомной массе атома целое число (А), выраженной в а.е.м. Массовое число равно числу нуклонов в ядре.

А = Z + N, где N - число нейтронов в ядре.

Обозначение ядра: где Z – порядковый номер, А – массовое число элемента Х.

4. Радиус ядра. Радиус ядера вычисляют по приближенной формуле:

(м) или (фм) (1 фм = 10^-15м).

5. Спин ядра - равен сумме спинов нуклонов. Спины протона и нейтрона одинаковы: .

6. Магнитный момент ядра P_mя - выражают в ядерных магнетонах Бора _я . Магнитный момент протона ~ P_mp = 2,79 _я, нейтрона P_mn = -1,91 _я. Знак “” означает, что магнитный момент нейтрона или ядра ориентирован противоположно спину.

Энергию, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Е_св: Е_св = [Zm_p + Nm_n - m_я]c²

1 а.е.м. обладает энергией  931,5 МэВ, тогда: Е_св = [Zm_p + Nm_n - m_я] 931,5, где массы протона, нейтрона и ядра в а.е.м., а Е_св - в МэВ.

Основные типы радиоактивного распада:

Альфа-распад состоит в самопроизвольном превращении одного ядра в другое ядро с испусканием а-частицы (ядра атома гелия ₂Не). Схема альфа-распада: где X и Y— символы материнского и дочернего ядер. Суммарная масса дочернего ядра и -частицы меньше массы материнского ядра, то же можно сказать относительно их энергий покоя. Разность этих энергий равна кинетической энергии -частицы и дочернего ядра.

При -распаде дочернее ядро может образоваться не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Так как они принимают дискретные значения, то и значения энергии -частиц, вылетающих из разных ядер одного и того же радиоактивного вещества, дискретны. Энергия возбуждения дочернего ядра чаще всего выделяется в виде -фотонов. Именно поэтому -распад сопровождается -излучением.

Бета-распад заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона. Различают три вида -распада.

1. Электронный, или ^-распад, который проявляется в вылете из ядра ^-частицы (электрона). Энергии ^-частиц принимают всевозможные значения от 0 до Е_maх, спектр энергий сплошной.

где — обозначение антинейтрино.

2. Позитронный, или ⁺-распад:где — обозначение нейтрино.

3. Электронный, или е-захват. Этот вид радиоактивности заключается в захвате ядром одного из внутренних электронов атома, в результате чего протон ядра превращается в нейтрон: Схема:

Основной закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Характерным признаком, отличающим ее от других видов ядерных превращений, является самопроизволъность (спонтанность) этого процесса. Различают радиоактивность естественную и искусственную. Естественная радиоактивность встречается у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях. Искусственной называют радиоактивность ядер, образованных в результате различных ядерных реакций. Принципиального различия между естественной и искусственной радиоактивностями нет. Им присущи общие закономерности.

N = N₀ e^t(где  — постоянная распада) – основной закон радиоактивного распада: число радиоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону.

На практике вместо постоянной распада чаще используют другую характеристику радиоактивного изотопа — период полураспада Т. Это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.

Работая с радиоактивными источниками, важно знать число частиц или -фотонов, вылетающих из препарата в секунду. Это число пропорционально скорости распада, поэтому скорость распада, называемая активностью, является существенной характеристикой радиоактивного препарата:

Таким образом, активность препарата тем больше, чем больше радиоактивных ядер и чем меньше их период полураспада. Активность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.

Ед. активности:

беккерелъ (Бк) — соответствует активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада; кюри (Ки) – 1Ки = = 3,7 • 10¹⁰ Бк = 3,7 • 10¹⁰ с^-1; резерфорд (Рд) – 1Рд = 10⁶Бк= Ю⁶ с^-1.

Для характеристики активности единицы массы радиоактив­ного источника вводят величину, называемую удельной массо­вой активностью и равную отношению активности изотопа к его массе (Бк/кг).

N = N₀ e^t(где  — постоянная распада) – основной закон радиоактивного распада: число радиоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону.

На практике вместо постоянной распада чаще используют другую характеристику радиоактивного изотопа — период полураспада Т. Это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.

Работая с радиоактивными источниками, важно знать число частиц или -фотонов, вылетающих из препарата в секунду. Это число пропорционально скорости распада, поэтому скорость распада, называемая активностью, является существенной характеристикой радиоактивного препарата:

Таким образом, активность препарата тем больше, чем больше радиоактивных ядер и чем меньше их период полураспада. Активность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.

Ед. активности:

беккерелъ (Бк) — соответствует активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада; кюри (Ки) – 1Ки = = 3,7 • 10¹⁰ Бк = 3,7 • 10¹⁰ с^-1; резерфорд (Рд) – 1Рд = 10⁶Бк= Ю⁶ с^-1.

Для характеристики активности единицы массы радиоактив­ного источника вводят величину, называемую удельной массо­вой активностью и равную отношению активности изотопа к его массе (Бк/кг).

Для получения искусственно-радиоактивных нуклидов используют ядерные реакторы и ускорители заряженных частиц:

1) реакция радиационного захвата, по реакции (n, ): ²³Na (n,  ) ²⁴Na, ³¹P (n, ) ³²P;

2) по реакции (n, ) с образованием “дочернего”: ¹³⁰Те (n, ) ¹³¹Те  ¹³¹I;

3) по реакциям с вылетом заряженных частиц (n, p), (n, 2n), (n, ): ¹⁴N (n, p) ¹⁴C;

4) по вторичным реакциям с тритонами (t, p), например: ⁷Li (n, ) ³H; ¹⁶O (t, n) ¹⁸F;

5) по реакции деления U(n, f), например: ⁹⁰Sr, ¹³³Xe

6) Многие важные радионуклиды, применяемые в клинической радиодианостике, получают с достаточной удельной активностью, используя изотопно-обогащенные мишени. Например, для получения ⁴⁷Са облучают мишень, обогащенную по ⁴⁶Са с 0,003 до 10-20%, для получения ⁵⁹Fe - мишень с ⁵⁸Fe, обогащенным с 0,31 до 80% и т.д.

В редакторе главным образом получают радионуклиды с избытком нейтронов, распадающиеся с ^- - излучением. Нейтронодефицитные радионуклиды в большинстве случаев получают на циклотронах, линейных ускорителях протонов и электронов (в последнем случае используется тормозное илучение) при энергиях ускоряемых частиц порядка десятков и сотен МэВ.

7) Так получают для медицинских целей радионуклиды по реакциям:⁵¹V (p, n) ⁵¹Cr, ⁶⁷Zn (p, n) ⁶⁷Ga, ¹⁰⁹Ag (, 2n) ¹¹¹In, ⁴⁴Ca (, p) ⁴³K, ⁶⁸Zn (, p) ⁶⁷Cu и др.

8) Для получения многих короткоживущих радионуклидов непосредственно в клинических учреждениях используют так называемые изотопные генераторы, содержащие долгоживущий материнский радионуклид,при распаде которого образуется нужный короткоживущий дочерний радионуклид, например:

^99МТс, ^87MSr, ^113MIn, ¹³²I.

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом и его характеристики (линейная плотность ионизации, линейные потери энергии, длина пробега ионизирующей частицы). Радионуклидные методы диагностики и лучевой терапии. Методы защиты от ионизирующих излучений. Устройство радиометров.

Заряженные частицы и -фотоны, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изменяется состояние как вещества, так и частиц. Основным механизмом потерь энергии заряженной частицы ( и ) при прохождении через вещество является ионизационное торможение. При этом ее кинетическая энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.

Взаимодействие частицы с веществом количественно оценивается линейной плотностью ионизации, линейной тормозной способностью вещества и средним линейным пробегом частицы.

Пробег частицы – длина ее пути в веществе до полной остановки.

Линейная передача энергии L (ЛПЭ) :

L =