Взаимодействие плотноионизирующих частиц с веществом

К плотно ионизирующим излучениям относятся ядра различных элементов (в том числе протоны и альфа частицы) и нейтроны. Заряженные частицы ионизируют вещество за счет притягивания или отталкивания орбитальных электронов. Нейтроны производят ионизацию за счет ядер отдачи или вторичного излучения, возникающего при ядерных реакциях. Высокие ЛПЭ этих излучений обусловливают их высокую относительную биологическую эффективность.

Суммарное число образованных ионов прямо пропорционально скорости частицы, а ЛПЭ – обратно пропорционально. Чем медленнее частица, т.е. чем меньше её скорость, тем больше время для взаимодействия с орбитальным электроном, тем выше вероятность его отрыва от атома, тем, следовательно, больше ЛПЭ. Кроме того, скорость, с которой α-частица происходит потеря энергии, пропорциональна квадрату заряда частицы Z². Например, с двумя положительными зарядами будет терять энергию в 4 раза быстрее протона (с одним положительным зарядом) при равных скоростях движения. Из-за своей массы (7500 масс электронов) α-частица движутся сравнительно медленно (при распаде 20.000 км/с), поэтому они имеют достаточное время для ионизации атомов среды, через которую они проходят. Поэтому всю свою энергию они отдают на небольшом расстоянии, и их путь представляется в виде коротких, плотных прямых треков.

Число ионных пар, образованных на единицу траектории ионизирующих частиц, называют линейной плотностью ионизаций или линейной передачей энергии (ЛПЭ) или удельной ионизацией. ЛПЭ зависит от энергии и заряда частицы [точнее Z²] (Z – атомный номер). Ниже на рисунке. показана типичная кривая удельной ионизации (ЛПЭ) α-частиц в воздухе.

Из этого же рисунка видно, что по мере глубокого проникновения α-частицы в вещество происходит всё большее число взаимодействий (ионизаций и возбуждений). Это уменьшает скорость частицы, что, в свою очередь, увеличивает вероятность дальнейших ионизаций. В конце пробега из-за уменьшения скорости частицы резко возрастает ЛПЭ – т.н. пик Брэгга. Остановившаяся частица притягивает 2 электрона и становится нейтральным атомом гелия.

Пробег α-частицы с энергией 1 МэВ в воздухе при атмосферном давлении равен нескольким сантиметрам. В живой материи вследствие её большей плотности α-частиц с энергией 5 МэВ способна пройти путь в несколько десятков микрон.

В следующей таблице приведены пробеги и ЛПЭ α-частиц и протонов в биологической ткани в зависимости от их энергии.

Пробеги α-частиц и протонов в биологической ткани)

Энергия α-частиц, МэВ	ЛПЭ, кэВ/мкм	Пробег, Мкм	Энергия протонов, МэВ	ЛПЭ, кэВ/мкм	Пробег, мкм
		5,3 10,1 16,8 25,1 35,2 47,0 75,5 91,6	Пробег 1	27,7 16,6 12,2 9,7 8,2 7,1 6,6 4,7

π^-мезоны – отрицательные заряженые элементарные частицы с массой, в 273 раза превышающей массу электрона. Их получают специальными методами фокусировки на мощных синхрофазотронах, генерирующих пучки протонов с энергией в сотни МэВ. π^-мезоны с энергиями 25–100 МэВ проходят весь путь в ткани до полного торможения почти без ядерных взаимодействий. Они захватываются в конце их пробега ядрами атомов ткани. Внесенная при этом в ядро большая энергия, равная 140 МэВ (энергия массы покоя π^--мезона), приводит к микровзрыву ядра и большим локальным энерговыделениям. Большие локальные энерговыделения обусловлены образованием плотноионизирующих частиц, включая нейтроны, протоны, альфа частицы, ионы лития, бериллия и др. Эта важная особенность явилась основанием для их применения в лучевой терапии опухолей (π^--мезонные фабрики).

Нейтроны. Нейтроны не несут заряда, поэтому они проникают глубоко; их взаимодействие с веществом происходит в результате прямого столкновения с ядрами атомов. Вероятность этих взаимодействий (сечение взаимодействия) зависит от энергии нейтронов, атомной массы и плотности вещества.

Медленные нейтроны (энергия менее 0,1 кэВ). Сюда же можно отнести тепловые нейтроны, обладающие энергией теплового движения молекул, которая составляет при комнатной температуре около 0,025 эВ. Медленные нейтроны взаимодействуют в основном путем проникновения в ядро атома, где они «захватываются». Атомные ядра при поглощении нейтронами становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, альфа-частицы и фотоны гамма-излучения, которые и вызывают ионизацию

Промежуточные нейтроны (0,1 – 20 кэВ) взаимодействуют с веществом в результате двух процессов – захвата и столкновения. Атомные ядра, поглотившие нейтрон, могут претерпевать ядерные реакции, в результате которых могут образовываться новые радионуклиды и возникать наведенная радиоактивность.

Быстрые нейтроны (более 0,02 МэВ) взаимодействуют в основном путем упругого столкновения с ядром. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь 10–15% энергии. Максимальный перенос энергии происходит при прямом столкновении. Законы механики показывают, что Рассеяние на ядре водорода приводит к переносу ½ энергии нейтрона. Для живой материи, богатой атомами водорода, это взаимодействие имеет большое значение. В результате этого взаимодействия образуются протоны, обладающие энергией, приближающейся к энергии падающих нейтронов.

Будучи тяжелыми заряженными частицами, протоны вызывают интенсивную ионизацию с высокой ЛПЭ (см. таблицу чуть выше). Кроме того, нейтроны сталкиваются с ядрами атомов углерода, кислорода и т.д., индуцируя при этом плотноионизирующие тяжелые ионы, которые приводят к значительным биологическим повреждениям. При взаимодействии с ядром свинца средний перенос составляет около 1% (отскакивает как от стенки мяч). Поэтому для защиты от нейтронов не используют свинец, а парафин, богатый водородом. Сечение взаимодействия нейтронов с водородом велико, поэтому 80–85% энергии взаимодействующих нейтронов переносится ядрами водорода (протоны отдачи) и только небольшая часть энергии передаётся более тяжелым ядрам. Будучи тяжелыми заряженными частицами, протоны вызывают интенсивную ионизацию по мере замедления. Нейтроны сталкиваются и с ядрами других атомов биологической ткани (углерод, кислород и пр.). При этом образуются плотноионизирующие тяжелые ионы.

Интересной для медицины особенностью взаимодействия тепловых нейтронов с веществом является очень высокое сечение их захвата атомами одного из изотопов бора –¹⁰В. а также гадолиния –– ¹⁵⁷Gd. При захвате теплового нейтрона атомом бора происходит его распад на ядро лития и α-частицу с выделение γ-кванта. Вылетевшие атомы лития и гелия (α-частица) характеризуются пробегом в несколько мкм и высокой плотностью ионизации, что послужило основой для создания метода нейтронозахватной терапии, применение которой возможно в случае, когда удается достичь больших различий в накоплении ¹⁰В между опухолевыми клетками и нормальными тканями. При захвате теплового нейтрона атомом ¹⁵⁷Gd испускаются короткопробежные и плотноионизирующие электроны Оже, электроны конверсии и γ-кванты

Дата добавления: 2014-01-07