Фотонные ионизирующие излучения

К фотонным ИИ относятся g-излучение радиоактивных веществ, рентгеновское характеристическое и тормозное излучения, генерируемые различными ускорителями. ЛПИ фотонного излучения самая низкая (1-2 пары ионов на 1 см³ воздуха), что определяет его высокую проникающую способность (в воздухе длина пробега составляет несколько сот метров).

g-излучение возникает при радиоактивном распаде. Переход ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением g-кванта с энергиями от 10 кэВ до 5 МэВ. Основными терапевтическими источниками g-излучения являются дистанционные гамма-терапевтические аппараты с искусственным радионуклидом ⁶⁰Со. Этот искусственный радиоактивный излучатель в течение более 60 лет используется в радиотерапевтических клиниках благодаря своим характеристикам. Энергия гамма-излучения ⁶⁰Со довольно высока и составляет 1,25 МэВ, что позволяет обеспечить перемещение энергии пучка вглубь тканей. При максимуме относительной поглощенной дозы на глубине 0,5 см, 50% глубинная доза располагается на глубине 11,4 см. Достаточно длительный период полураспада, составляющий 5,3 года, благодаря чему мощность источника убывает в течение длительного времени, а перезарядка аппарата требуется раз в 5-7 лет.

Тормозное рентгеновское излучение высоких энергий возникает за счет ускорения и резкого торможения ускоренных электронов высоких энергий в вакуумных системах различных ускорителей и отличается от рентгеновского большей энергией квантов (от одного до десятков МэВ).

При прохождении потока фотонов через вещество происходит его ослабление в результате взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Тип взаимодействия фотонов с атомами вещества зависит от энергии фотонов. Выделяют следующие виды взаимодействия фотонов с веществом:

· Классическое (когерентное, или томпсоновское, рассеяние) - для фотонов с энергией от 10 до 50-100 кэВ. Относительная частота этого эффекта мала. Происходит взаимодействие, которое существенной роли не играет, так как падающий квант, столкнувшись с электроном, отклоняется, и его энергия не меняется.

· Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) - при относительно малых энергиях - от 50 до 300 кэВ (играет существенную роль при рентгенотерапии). Падающий квант выбивает орбитальный электрон из атома, сам при этом поглощается, а электрон, немного изменив направление, улетает. Этот улетевший электрон называется фотоэлектроном. Таким образом, энергия фотона тратится на работу выхода электрона и на придание ему кинетической энергии. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, а фотоэлектрон в конце пробега теряет свою энергию и присоединяется к нейтральному атому, превращая его в отрицательно заряженный ион.

· Эффект Комптона (некогерентное рассеяние) - возникает при энергии фотона от 120 кэВ до 20 МэВ (т. е. практически весь спектр энергий применяемых в лучевой терапии). Падающий квант выбивает электрон с наружной оболочки атома, передавая ему часть энергии, оставшаяся часть меняет свое направление. Электрон вылетает из атома под определенным углом, а новый квант отличается от первоначального не только иным направлением движения, но и меньшей энергией. Образовавшийся квант будет косвенно ионизировать среду, а электрон - прямо.

· Процесс образования электронно-позитронных пар - энергия кванта должна быть больше 1,02 МэВ (удвоенной энергии покоя электрона). С этим механизмом приходится считаться при облучении больных тормозным излучением высоких энергий. Вблизи ядра атома падающий квант испытывает ускорение и исчезает, преобразовываясь в электрон и позитрон. Позитрон быстро объединяется со встречным электроном, и происходит процесс аннигиляции (взаимного уничтожения), а взамен возникают два фотона, энергия каждого из которых вдвое меньше энергии исходного фотона. Таким образом, энергия первичного кванта переходит в кинетическую энергию электрона и в энергию аннигиляционного излучения.

· Фотоядерное поглощение - энергия квантов должна быть больше 2,5 МэВ. Фотон поглощается ядром атома, в результате чего ядро переходит в возбужденное состояние и может либо отдать электрон, либо развалиться. Таким образом получаются нейтроны.

В результате вышеперечисленных процессов взаимодействия фотонного излучения с веществом возникает вторичное фотонное и корпускулярное излучение (электроны и позитроны). Ионизационная способность заряженных частиц значительно больше, чем фотонного излучения.

Пространственное ослабление пучка фотонов происходит по экспоненциальному закону (закону обратных квадратов): интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения.

Излучение в диапазоне с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ нашло самое широкое применение в терапии злокачественных новообразований. Большая проникающая способность позволяет передавать энергию глубоко расположенным опухолям. При этом резко снижается лучевая нагрузка на кожу и подкожную клетчатку, что позволяет подвести требуемую дозу к очагу поражения без лучевого повреждения указанных участков тела (в отличие от мягкого рентгеновского излучения). С увеличением энергии фотонов больше 15 МэВ увеличивается риск лучевого поражения тканей на выходе пучка.

В целом (рис. 2.3), проникающая способность ионизирующих излучений, а, следовательно, показания к их использованию в терапии опухолей зависит от вида излучения (фотонные излучения обладают в целом более высокой проникающей способностью, чем корпускулярные) и его энергии (возрастает).

Рис. 2.3.Примеры процентного линейного распределения дозы пучков электронов энергией от 6 до 20 МэВ и фотонных излучений от гамма-излучения 60Со до мегавольтного рентгеновского излучения энергией 4-25 МэВ.

Контрольные вопросы к разделу

(выделены правильные ответы)

1) Расставьте компоненты распада ядра радиоактивного вещества по возрастанию их проникающей способности в тканях

а) Альфа-излучение, гамма-излучение, бета-излучение

б) Гамма-излучение, альфа-излучение, бета-излучение

в) Альфа-излучение, бета-излучение, гамма-излучение

г) Проникающая способность компонентов может меняться в зависимости от агрегатного состояния вещества

2) Какова проникающая способность ускоренных электронов, характеризующаяся длиной свободного пробега в тканях человека?

а) 30 см

б) не превышает 2 см

в) до 5 см

г) до 10 см

д) 50 мкм

3) Основными преимуществами использования протонных пучков в лучевой терапии являются:

а) формирование нерасходящихся пучков;

б) синхронизация пучка с дыханием

в) возможность подведения необходимого количества энергии на заданную глубину, соответствующую пику Брегга;

г) высокий градиент дозы (селективность) между мишенью и окружающими тканями;

д) конформность облучения

4) Какой заряд имеют пи-мезоны?

а) Отрицательный

б) Положительный

в) Двойной положительный

г) Не имеют заряда

5) Какой заряд имеют альфа-частицы?

а) Отрицательный

б) Положительный

в) Двойной положительный

г) Не имеют заряда

6) Какой заряд имеют нейтроны?

а) Отрицательный

б) Положительный

в) Двойной положительный

г) Не имеют заряда

7) Какая локализация злокачественных опухолей предпочтительна для применения нейтронозахватной терапии?

а) Мышцы и жировая клетчатка;

б) Головной мозг

в) Опухоли полостных органов

г) Локализация значения не имеет

8) ЛПИ фотонного излучения в воздухе составляет…

а) 1-2 пары ионов на 1 см³

б) 5-10 пар ионов на 1 см³

в) 50-70 пар ионов на 1 см³

г) 200--300 пар ионов на 1 см³

9) В каком диапазоне энергий фотонов при взаимодействии с веществом наблюдается фотоэффект?

а) 10-20 МэВ

б) 5-10 МэВ

в) 50-300 КэВ

г) 1-3 МэВ

д) Более 1,02 МэВ

е) 120 КэВ – 20 МэВ

10) В каком диапазоне энергий фотонов при взаимодействии с веществом наблюдается эффект Комптона?

а) 10-100 кэВ

б) 5-10 МэВ

в) 50-300 КэВ

г) 1-3 МэВ

д) Более 1,02 МэВ

е) 120 КэВ – 20 МэВ

11) В каком диапазоне энергий фотонов при взаимодействии с веществом наблюдается процесс образования электрон-позитронных пар?

а) 10-20 МэВ

б) 5-10 МэВ

в) 50-300 КэВ

г) 1-3 МэВ

д) Более 1,02 МэВ

е) 120 КэВ – 20 МэВ

12) В соответствии с «законом обратных квадратов», интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату…

а) Расстояния от источника излучения

б) Исходной энергии пучка фотонного излучения

в) Магнитной индукции пучка

13) Какой вид ионизирующего излучения имеет наиболее высокую проникающую способность в биологических тканях?

а) Рентгеновское ортовольтное

б) Ускоренные электроны

в) Гамма-излучение

г) Альфа-частицы

д) Тормозное излучение высоких энергий

е) Рентгеновское 50 КэВ

14) Какой вид излучения образуется при радиоактивном распаде радионуклида ⁶⁰Со?

а) Рентгеновское

б) Бета-излучение

в) Нейтроны

г) Гамма-излучение

д) Протоны

е) Ускоренные электроны

15) Какой период полураспада у радионуклида ⁶⁰Со (кобальт шестьдесят)?

а) 2,3 года

б) 7,5 лет

в) 10,1 лет

г) 4,8 месяца

д) 5,2 года

е) 4,5 года

16) Какова энергия гамма-излучения радионуклида ⁶⁰Со?

а) 2 МэВ

б) 300 КэВ

в) 50 КэВ

г) 6 МэВ

д) 1,25 МэВ

е) 18 МэВ

Дата добавления: 2014-12-16