Рентгеновское и ионизирующее излучения, применение в медицине. Основы дозиметрии

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией. 
 

Биофизические основы действия ионизирующего  излучения на организм 

   Рассматривая  первичные физико-химические процессы  в организме при действии ионизирующих  излучений, следует учитывать  две принципиально разные возможности  взаимодействия: с молекулами воды  и с молекулами органических  соединений.

   Под действием  ионизирующих излучений происходят  химические превращения вещества, получившие название радиолиза.

   Наиболее  реакционноспособными являются  три типа радикалов, образующихся  при радиолизе воды. Взаимодействие  органических молекул RHс этими радикалами может привести к образованию радикалов органических молекул. Взаимодействие молекул органических соединений непосредственно с ионизирующими излучениями может образовать

15

возбужденные  молекулы, ионы, радикалы и перекиси. Отсюда следует, что эти высокоактивные в химическом отношении соединения будут взаимодействовать с остальными молекулами биологической системы, что приведет к повреждениям генетического  аппарата, мембран, других структур клеток и, в итоге, нарушениям функций всего  организма.

   Рассмотрим  некоторые общие закономерности, характерные для биологического  действия ионизирующего излучения.

   Значительные  биологические нарушения вызываются  ничтожно малыми количествами  поглощаемой энергии излучения.

   Ионизирующее  излучение действует не только  на биологический объект, подвергнутый  облучению, но и на последующие  поколения через наследственный  аппарат клеток. Это обстоятельство, а также его условное прогнозирование  особо остро ставят вопрос  о защите организмов от излучения.

   Для биологического  действия ионизирующего излучения  спецефичен скрытый (латентный) период. Разные части клеток по – разному чувствительны к одной и той же дозе ионизирующего излучения. Наиболее чувствительным к действию излучения является ядро клетки.

   Способность  к делению – наиболее уязвимая  функция клетки, поэтому при облучении,  прежде всего, поражаются растущие  ткани. Это делает ионизирующее  излучение особенно опасным для  детского организма, включая период, когда он находится в утробе  матери. Губительно действует излучение  и на ткани взрослого организма,  в которых происходит постоянное  или периодическое деление клеток: слизистую оболочку желудка и  кишечника, кроветворную ткань,  половые клетки и т. д. Действие  ионизирующего излучения на быстрорастущие  ткани используют также при  терапевтическом воздействии на  ткани опухоли.

При больших  дозах может наступить «смерть  под лучом», при меньших – возникают  различные заболевания (лучевая  болезнь и др.). 
 
 

16

Детекторы ионизирующих излучений 

В физике элементарных частиц понятие «детектор» относится  не только к различного типа датчикам для регистрации частиц, но и к  большим установкам, созданным на их основе и включающим в себя также  инфраструктуру для поддержания  их работоспособности (криогенные системы, системы кондиционирования, электропитания), электронику для считывания и  первичной обработки данных, вспомогательные  системы (напр. сверхпроводящие соленоиды для создания внутри установки магнитного поля). Как правило, такие установки сейчас создаются большими международными группами.

Поскольку постройка  большой установки требует значительных финансовых затрат и человеческих усилий, в большинстве случаев она  применяется не для одной определенной задачи, а для целого спектра различных  измерений. Основными требованиями, предъявляемыми к современному детектору  для экспрериментов на ускорителе являются:

Высокая эффективность (малый процент потерянных частиц или частиц с плохо определенными  параметрами)

Способность к  разделению различных типов частиц, образующихся в распаде (пионов, каонов, протонов .)

Способность точного  измерения импульса заряженных частиц для восстановления инвариантной массы нестабильных состяний.

Способность точного  измерения энергии фотонов.

Для специфических  задач могут потребоваться дополнительные требования, например, для экспериментов, измеряющих CP-нарушение в системе B-мезонов важную роль играет координатное разрешение в области взаимодействия пучков.

Условное изображение  многослойного универсального детектора  для ускорителя на встречных пучках.

Необходимость выполнения этих условий приводит к  типичной на сегодняшний день схеме  универсального многослойного детектора. В англоязычной литературе такую  схему принято сравнивать с луковицей 

17

(onion-like structure). В  направлении от центра (области  взаимодействия пучков) к периферии  типичный детектор для ускорителя  на встречных пучках состит  из следующих систем:

Трековая  система

Трековая система  предназначена для регистрации  траектории прохождения заряженной частицы: координат области взаимодействия, углов вылета. В большинстве детекторов трековая система помещена в магнитное  поле, что приводит к искривлению  траекторий движения заряженных частиц и позволяет определить их импульс  и знак заряда.

Трековая система  обычно выполняется на основе газовых  ионизационных детекторов или полупроводниковых  кремниевых детекторов.

Система идентификации

Система идентификации  позволяет отделить друг от друга  различные типы заряженных частиц. Принцип работы систем идентификации  чаще всего заключается в измерении  скорости пролета частицы одним  из трех способов:

по углу излучения черенковского света в специальном радиаторе (а также по самому факту наличия или отсутствия черенковского излучения),

по времени  пролета до точки регистрации,

по плотности  удельной ионизации вещества.

Совместно с  измерением импульса частицы в трековой системе это дает информацию о  массе, а, следовательно, и о типе частицы.

Калориметр

Калориметр предназначен для измерения энергии частиц путем их полного поглощения. Это единственный способ регистрации фотонов (так как они не являются заряженными и, следовательно, не оставляют следов в трековой системе). Фотоны и электроны образуют электромагнитный ливень в веществе и, таким образом, полностью поглощаются. Выделенная энергия может быть измерена либо по величине вспышки сцинтилляционного света (сцинтилляционные калориметры), либо путем подсчета частиц ливня (сэмплинг-калориметры). 

18

Мюонная система

Мюонную систему  можно отнести к системе идентификации, но технически она реализуется отдельно во внешней части детектора. Чаще всего она встраивается в железо, замыкающее магнитный поток соленоида  трековой системы. Мюонная система  позволяет отделить мюоны по их способности  проходить большие расстояния в  веществе без поглощения (это является следствеим того, что мюон не испытываетядерного взаимодействия).

Список работающих или строящихся детекторов для ускорителей  на встречных пучках:

Детекторы на коллайдере LHC (CERN)

Atlas

CMS

LHCb

Alice

Детекторы на коллайдере Tevatron

CDF

D0

Детекторы на электрон-позитронных  машинах

BaBar (коллайдер PEP-II, SLAC)

Belle (коллайдер  KEKB, KEK)

BES (коллайдер  BEPC, Пекин)

CLEO (коллайдер  CESR)

КЕДР (коллайдер ВЭПП-4, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)

КМД, СНД (коллайдер  ВЭПП-2, ВЭПП-2000, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)

Прикладное  применение

Помимо научных  экспериментов, детекторы элементарных частиц находят 

19

применение и  в прикладных задачах — в медицине (рентгеновские аппараты  

с малой дозой  облучения, томографы), материаловедении (дефектоскопия), для предполетного  досмотра пассажиров и багажа в аэропортах. 

Доза  излучения. Экспозиционная доза. Мощность дозы. 

До́за излуче́ния — в физике и радиобиологии — величина, используемая для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, ткани и живые организмы.

Экспозиционная  доза.

Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения и среды — это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизациивоздуха рентгеновских трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная  доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза — это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этомобъёме.

В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица — рентген (Р). 1 Кл/кг = 3876 Р. 
 

20

Мощность  дозы (интенсивность облучения) — приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин, сЗв/год) 

Эквивалентная доза. 

Изучение отдельных  последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятиеэквивалентной дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент — коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества.