Ионизирующие излучения

Лекция № 16

Виды ионизирующих излучений. Взаимодействие с веществом протонов, электронов, фотонов и нейтронов. Механизмы взаимодействия. Рентгеновское излучение. Взаимодействие ионизирующего излучения с биологическими объектами. Радионуклиды. Основные понятия дозиметрии.

Заряженные или нейтральные частицы, распространяясь в веществе, взаимодействуют с составляющими его молекулами, атомами, а также атомными электронами и ядрами. При этом атомные электроны отрываются или переходят на более высокие энергетические орбиты атомов. Ядра в результате взаимодействия с частицами возбуждаются, изменяют состав частиц, испуская одну или несколько частиц, или распадаются на фрагменты. В молекулах происходит разрыв межмолекулярных связей или возникновение новых связей между молекулами органических соединений или их частями. Взаимодействие частиц с веществом может происходить и без изменения его структуры.

Поток заряженных или нейтральных частиц, при взаимодействии которых с веществом образуются электрические заряды различных знаков (ионы и электроны), называют ионизирующим излучением. К ионизирующим излучениям относятся пучки фотонов в широком интервале энергий, электронов, тяжелых заряженных частиц (протонов, дейтронов, α-частиц, ядер других химических элементов), нейтронов, которые способны разрушать межмолекулярные или межатомные связи, а также отрывать электроны с атомных оболочек или выбивать нуклоны из ядер.

Излучение, состоящее из частиц одного вида, называют однородным, а из двух и более видов – смешанным.

Потоком [1] Ф называется число частиц излучения, переносимых через заданную площадку. Он измеряется как число частиц на м² (частиц/м²).

Поток частиц одной энергии называют моноэнергетическим, а разных энергий – немоноэнергетическим. Ядра испускают частицы (например, фотоны или α-частицы) одной энергии. Монохроматические пучки заряженных частиц получают на ускорителях. Пучок фотонов, возникающий при торможении электронов в веществе, имеет очень широкий набор энергий. Такой набор энергий фотонов называют тормозным спектром частиц, который является немонохроматическим. Пучки частиц (протонов, электронов или ионов), полученные на ускорителях, называют первичным ионизирующим излучением. Пучки, возникающие при их взаимодействии с веществом – вторичным излучением (например, тормозное излучение, или потоки нейтронов).

Процесс отрыва одного или нескольких электронов с атомных орбит называют ионизацией атома. Например, при ионизации атома водорода образуются ион водорода (протон) и электрон. Ионизация происходит следующим образом. Если через вещество, например, через воду движется протон, то под действием кулоновских сил он притягивает к себе электроны, которые располагаются на атомных оболочках. Это приводит к тому, что электроны отрываются от атома, и он превращается в ион. Электрон приобретает некоторую энергию, а энергия протона уменьшается на эту величину. Протон, двигаясь в веществе, срывает электроны до тех пор, пока его энергия не станет настолько малой, что ее не хватит на отрыв электронов.

Такой процесс потери энергии частицей в результате ионизации атомов среды называют ионизационным торможением. Потери энергии частицей на каждом участке ее пути в веществе неравномерны. Для описания ионизационных потерь частицей в процессе ее движения в веществе вводится понятие удельных ионизационных потерь. Ионизационные потери на единицу длины пути частицы в веществе называют линейными ионизационными потерями S_ион:

(16.1.1)

Ионизирующие излучения, состоящих из частиц различного типа, взаимодействуют с веществом посредством разных физических механизмов. Электроны взаимодействуют с веществом посредством электромагнитных сил, протоны и ионы – кроме них еще и сильным взаимодействием, а нейтроны - только ядерными силами. Несколько конкурирующих механизмов действует при взаимодействии фотонов разных энергий с веществом. Механизмы передачи энергии веществу разными частицами отличаются между собой, а частиц одного сорта – конкурируют между собой в зависимости от их энергии.

Рассмотрим прохождение через вещество тяжелых и легких заряженных частиц, а также нейтральных частиц – фотонов и нейтронов.

Взаимодействие протонов и ионов с веществом. Потери энергии тяжелой заряженной частицы, например, протона в веществе происходят при его взаимодействии с атомами (атомными электронами и ядрами) среды.

Если, например, энергия протона порядка 10 МэВ, то его прохождение через вещество выглядит примерно так.

Пока энергия протонов высокая их взаимодействие с веществом происходит в основном посредством ионизации атомов среды. Кроме того, небольшая часть протонов может упруго или не упруго рассеяться на ядре атома или осуществить ядерную реакцию. При этом потери энергии протоном, происходящие в результате ионизации атомов, играют доминирующую роль. Двигаясь через вещество, протоны срывают с атомов электроны (рис.16.1), причем некоторые из них, имеют энергию, также достаточную для ионизации атомов (их называют δ – электронами). Протон, как тяжелый снаряд, практически не отклоняется от прямолинейной траектории. Энергия протона уменьшается медленно и почти равномерно. Когда энергия протона становится низкой, вероятность взаимодействия протона с атомом возрастает пропорционально обратному квадрату скорости . Число ионизированных атомов существенно возрастает. При энергии, порядка сотни кэВ, протон сорвет с атомов среды большое количество электронов сразу, передавая им значительную часть своей энергии, то есть удельные ионизационные потери энергии протоном в конце пути резко возрастают. Это приводит к возникновению пика (называемого в литературе пиком Брэгга) в распределении энергии, переданной веществу.

Далее протон взаимодействует с атомами среды, рассеиваясь на них, упруго или не упруго. В последнем случае он может возбуждать атом.

Рис.16.1. Механизм ионизации атомов протонами.

Электроны переходят на орбиты атома с более высокой энергией, а затем, возвращаясь назад, испускают фотоны (рис.16.2).

p

Рис.16.2. Механизм возбуждения атомов протонами.

В конце пути происходит процесс перезарядки, когда электрон «садится» на орбиту атома, образуя нейтральный атом водорода. Нейтральный атом либо перемещается в результате процесса диффузии, либо останавливается в среде.

Ионизационные потери энергии тяжелых заряженных частиц описываются знаменитой формулой Бете – Блоха, которая в нерелятивистском варианте, удобном для расчетов выглядит так:

[МэВ/см], (16.1.2)
где z и Z соответственно заряд частицы и ядра атома, А – массовое число ядер вещества среды. r - плотность среды. Переводной коэффициент 3.05×10⁵ имеет размерность [см²×МэВ ¤ г]. По смыслу эта формула описывает зависимость потерь энергии протонами от их энергии. Она имеет сложную

Рис.16.3. Удельные ионизационные потери энергии в зависимости от энергии частиц.

форму. Максимум соответствует большим потерям энергии протонами в конце пути перед их остановкой в веществе. Минимум в ней возникает в результате конкуренции двух механизмов: уменьшения сечения взаимодействия протонов с веществом и роста этого сечения с увеличением роли релятивистских эффектов.

Взаимодействие электронов с веществом. Взаимодействие электронов с веществом существенно отличается от взаимодействия с ним протонов вследствие их малой массы. Рассмотрим, как, например, тормозится электрон, который с энергией порядка 5 МэВ движется в воде. Попадая в воду, электрон, аналогично протону в результате кулоновского взаимодействия с атомными электронами, осуществляет ионизацию атомов (как бы отталкивая атомные электроны, имеющие заряд того же знака). Ионизационные потери энергии электронами, также как и протонов описываются формулой Бете – Блоха.

В результате рассеяния на ядрах и атомных электронах электрон, как видно на рис. 16.4, в отличие от протона существенно меняет направление своего движения в результате взаимодействия с атомами.

Рис. 16.4. Траектория движения электрона в среде.

Пучки электронов широко используются как в науке, так и в различных отраслях народного хозяйства. В медицине они главным образом используются для получения рентгеновского излучения, тормозных фотонов высоких энергий и синхротронного излучения. В последние десятилетия пучки электронов активно используются в интраоперационной лучевой терапии. В этом случае опухоль в процессе операции или ложе опухоли сразу же после ее удаления облучается пучком электронов.

Для электронов, в отличие от других частиц, при взаимодействии с веществом характерны существенные радиационные потери энергии. Как известно из электродинамики при движении заряженной частицы с ускорением они испускают фотоны.

Ускорение, с которым тормозятся электроны в веществе, описывается вторым законом Ньютона:

, (16.1.3)

где F_кул – кулоновская сила, действующая на электрон со стороны вещества.

Из классической электродинамики известно, что энергия излучения тормозящейся частицы пропорциональна квадрату ее ускорения:

. (16.1.4)

Видно, что энергия излучения, обратно пропорциональна квадрату массы электрона. Поскольку масса протона больше в ~ 2000 раз, то энергия, излучаемая протоном при торможении в веществе, будет почти в четыре миллиона раз меньше, чем электрона.

Радиационные потери энергии возникают, когда частицы в среде движутся ускоренно. Это происходит, когда электроны тормозятся, двигаясь по прямой траектории или равномерно по окружности в магнитном поле, а также в среде с переменной плотностью вещества. Перечисленные причины приводят соответственно к появлению тормозного, синхротронного и переходного излучения[2] (рис.16.5).

Тормозным излучением (ТИ) называют электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её торможении в поле ядра и атомных электронов (рис.16.5а). Его можно получить, например, облучая тонкую стальную мишень пучком электронов. Из нее будет выходить пучок тормозных фотонов, имеющих сплошной спектр.

а) б)

в)

Рис.16.5 Тормозное (а), синхротронное (б) и переходное (в) излучения.

Тормозное излучение широко используется в медицине. Это и рентгеновские аппараты в диагностике и терапии, и рентгеновские компьютерные томографы, ускорители в лучевой терапии онкологических заболеваний. Всего в мире аппаратов, использующих тормозное излучение миллионы, а может и десятки миллионов.

Синхротронное излучение (СИ) обнаружили на ускорителях – синхротронах[3] хотя возникает оно и в бетатронах. Это электромагнитное излучение в диапазоне от радиочастот до мягкого g - излучения, возникающее при движении электронов по круговой орбите в магнитном поле. Оно испускается в узком конусе с углом , направленном по касательной к орбите электрона (рис.16.5б).

Последние десятилетия развиваются направления использования синхротронного излучения в медицине, например, в кардиологии при диагностике состояния микроскопических сосудов сердца. К сожалению, источники синхротронного излучения – ускорители электронов имеют большие размеры и представляют очень дорогие установки. Поэтому синхротронное излучение пока не нашло широкого применения на практике.

Переходное излучение также в настоящее время используется только в научных исследованиях в качестве детектора излучения. Детектор конструируется, как видно на рис.16.4в, из материалов с разной плотностью, собирается слоистый детектор. На границах вещества с разной плотностью возникает излучение фотонов вперед и назад, по которому можно регистрировать прохождение частиц и определять их характеристики.

Взаимодействие фотонов с веществом. Электромагнитное излучение - наиболее распространенный вид излучения. Оно включает в себя инфракрасное излучение, радиоволны, лазерное, синхротронное, рентгеновское, жесткое гамма-излучение. Перечисленные виды изучений имеют одинаковую природу и представляют собой фотоны с разной энергией и частотой.

Неионизирующие излучения не производят непосредственной ионизации атомов или молекул. К ним относится излучение радиоволн, видимого света, часть диапазона ультрафиолетового излучения. Область частот этих излучений простирается от 3 кГц до 7*10¹⁵ Гц, а их энергии лежат в диапазоне от 10^-11 эВ до примерно 3 эВ. Фотоны этих областей энергий, при взаимодействии с атомами или молекулами вещества рассеиваются на электронах атомных оболочек, возбуждают атом, переводя электроны на оболочки более высоких энергий. Они оказывают влияние на вращение и колебания молекул, могут нарушать некоторые межмолекулярные связи.

Фотоны ультрафиолетового диапазона имеют частоту от 7.5*10¹⁴ до 4.0*10¹⁶ Гц, а энергию 3.2 ^_ 170 эВ. Они могут разрушать межмолекулярные и межатомные связи. Частота рентгеновского излучения составляет 7.0*10¹⁵ – 5.0*10¹⁹ Гц, а его энергия - 30 эВ – 200 кэВ. Рентгеновское излучение можетразрушать не только межатомные и межмолекулярные связи, но и ионизировать отдельные атомы.

Жесткое излучение фотонов или гамма-лучи, имеют частоту более 5*10¹⁹ Гц, что соответствует энергии выше 200 кэВ. Поскольку они обладают очень высокой частотой (маленькой длиной волны ~10^-2 нм), а, следовательно, и большой энергией, их проникающая способность оказывается намного сильнее рентгеновского и других излучений. Они не только ионизируют атомы, но и осуществляют ядерные реакции.

Пучки фотонов высоких энергий получают из радиоактивных источников или ускорителей электронов. В первом случае пучки фотонов имеют спектр близкий к монохроматическому, во – втором случае – сплошной спектр тормозного излучения фотонов. Интенсивность I моноэнергетического пучка фотонов при прохождении тонкого слоя однородной среды толщиной x уменьшается по экспоненциальному закону

, (16.1.7)

где μ – линейный коэффициент ослабления пучка фотонов, I₀ – интенсивность излучения при x = 0 на входе в вещество.

Линейный коэффициент ослабления пучка характеризует относительное уменьшение числа фотонов после прохождения слоя поглотителя толщиной 1 см и измеряется в обратных сантиметрах см^-1. Его величина определяется суммой сечений различных механизмов взаимодействия фотонов с веществом.

Помимо линейного коэффициента ослабления пучка в расчетах используют массовый коэффициент ослабления, когда линейный коэффициент делят (нормируют) на плотность вещества:

. (16.1.8)

Его смысл заключается в том, что он для всех видов веществ сравним по величине. Изменение интенсивности пучка фотонов определяется величиной массы вещества, которую он прошел. Например, слой железа толщиной 1 см ослабляет рентгеновское излучение также как слой воды толщиной 7.8 см. Поэтому от ионизирующего излучения фотонов защиту делают из тяжелых материалов, как правило, свинца. Его плотность, а, следовательно, и эффективность поглощения излучения оказывается выше, чем у воды в 11.3 раза.

При прохождении через вещество фотоны взаимодействуют с атомными ядрами и атомными электронами. Известно несколько механизмов взаимодействия фотонов с веществом: когерентное рассеяние, фотоэффект, комптоновское рассеяние (комптон-эффект), рождение электрон-позитронных пар и ядерный фотоэффект.

Когерентное рассеяние. Когерентным (упругим) или томсоновским рассеянием называется рассеяние электромагнитного излучения на атомах, при котором его частота до и после взаимодействия остается неизменной (рис.16.6). Такое рассеяние является упругим и происходит при энергиях фотонов в области от радиочастотного излучения вплоть до мягкого и жесткого рентгеновского излучения. Когерентное рассеяние описано в рамках классической теории рассеяния электромагнитного излучения. Полное сечение когерентного рассеяния не зависит от частоты падающего излучения, причем оказывается больше, чем сечения других механизмов взаимодействия фотонов с веществом:

, (16.1.10)

Этот механизм является основным при взаимодействии с веществом видимого света, лазерного и ультрафиолетового излучений. Рассеяние, как показано на этом же рис.16.6, с увеличением энергии фотонов может быть и неупругим. В этом случае атом испускает фотон с меньшей частотой , оказываясь в возбужденном состоянии. Возвращаясь в основное состояние, он испускает фотон с частотой .

Рис.16.6. Когерентное и неупругое рассеяние на атомных электронах.

Фотоэффект. Фотоэффектом называется механизм взаимодействия фотона со связанным электроном, при котором почти вся энергия фотона передается электрону атома (рис.16.7):

γ + А ® А⁺ + е^-. (16.1.9)

Небольшая энергия отдачи передается атому А⁺. Ее величина соответствует соотношению масс электрона и атома.

Фотоэффект[4] наблюдается, когда под действием света с поверхности проводников вырываются электроны. На этом принципе работают, например фотодиоды. Между анодом и катодом диода устанавливается напряжение недостаточное для возникновения тока в отсутствие внешнего света. Если на катод падает свет, то фотоны выбивают из катода электроны, которые под действием электрического поля между анодом и катодом начинают двигаться к аноду. В вакууме возникает электрический ток. На этом принципе работают устройства, регулирующие, например, включение освещения. Например, при наступлении светового дня уличное освещение отключается автоматически.

Рис.16.7. Фотоэффект на атомных электронах.

Комптон - эффектом (комптоновским рассеянием) называется рассеяние фотонов на свободном электроне (рис.16.8).

Рис.16.8. Комптоновское рассеяние на атомных электронах.

Это происходит, когда энергия связи электрона в атоме много меньше энергии падающих фотонов (Е_g>> Е_св). В этом случае энергией связи можно пренебречь, и рассеяние происходит на свободном электроне. Энергия падающего фотона в результате рассеяния уменьшается, и часть ее передается свободному электрону. В энергетическом интервале до сотен кэВ коптон - эффект действует одновременно с фотоэффектом, а сечения этих процессов сравнимы по величине. Вероятность фотоэффекта и комптоновского меняется с энергией. При энергии порядка 100 кэВ комптоновское рассеяние становится доминирующим процессом по сравнению с фотоэффектом.

Различают прямой и обратный Комптон - эффект. Прямым называют процесс (уже рассмотренный выше) комптоновского рассеяния на свободном покоящемся электроне, обратным – на движущемся электроне (рис.16.9).

Рис.16.9. Обратное комптоновское рассеяние на движущихся электронах.

В результате прямого Комптон - эффекта происходит уменьшение энергии фотона, взаимодействующего с атомным электроном. Основное достоинство обратного Комптон – эффекта – это возможность увеличивать энергию рассеянных фотонов в результате их взаимодействия с движущимся электроном. При этом частота светового излучения смещалась в рентгеновскую область. На этой идее были построены лазеры на свободных электронах. На них получают монохроматическое излучение в диапазоне от видимого света до рентгеновского излучения с энергией до 100 кэВ. Однако энергию излучения выше рентгеновской области пока поднять не удалось.

Рождение электрон-позитронных пар. Уникальность этого механизма заключается в том, что фотон, налетая на электрическое поле, способен из него «выбить» частицу и античастицу, которые обязательно рождаются парами. Важно, чтобы для этого хватило энергии фотона, то есть выполнялся закон сохранения энергии. Процесс одновременного возникновения электронов и позитронов (е^- е⁺) при взаимодействии фотонов с кулоновским полем атомного ядра или электрона называется механизмом рождения пар (рис.16.10):

g ® е⁺+е.^-

Рис.16.10. Механизм рождения электрон – позитронных пар.

Поскольку масса электрона 0.51 МэВ, то пороговая энергия образования (е^- е⁺) пар в кулоновском поле ядра:

Е_пор1 » 2m_ec² = 1.02 МэВ, (16.1.11)

Сечение образования пар в поле ядра больше, чем в поле электрона примерно в ~10³ раз. Этот механизм взаимодействия фотонов с веществом является лучшим способом получения пучков античастиц – позитронов.

Ядерный фотоэффект. Ядерный фотоэффект – это процесс неупругого взаимодействия фотонов с атомными ядрами или, другими словами, ядерные реакции под действием фотонов (рис.16.11). Они происходят при энергиях фотонов выше порога фотоядерных реакций (который различен для разных химических элементов и, как правило, выше 10 МэВ). При действии этого механизма фотон поглощается ядром. Это приводит к возбуждению ядра, в результате которого испускается с большей вероятностью одна или несколько вторичных частиц (р, n, d, a и т.д.).

Рис.16.11. Ядерные реакции под действием фотонов.

Рассмотрим на качественном уровне, как проходит фотон через вещество. Допустим, фотоны имеют высокую энергию, например, 15 МэВ. Взаимодействие с веществом фотонов высоких энергий происходит лавинообразным способом. Они могут с разной вероятностью либо испытать комптоновское рассеяние, либо родить электрон – позитронную пару, либо произвести ядерную реакцию. При энергии 15 МэВ наиболее вероятным является механизм рождения электрон – позитронных пар. Менее вероятным конкурирующим механизмом является в этом случае комптоновское рассеяние. Рождение пар и комптоновское рассеяние приведет к возникновению вторичных электронов, которые, тормозясь в веществе, образуют вторичные фотоны. Таким образом, в веществе возникает электронно–фотонный ливень. Когда энергия вторичных фотонов станет сравнимой с энергией связи электронов в атоме, начнут доминировать два других механизма – когерентное (упругое) рассеяние и фотоэффект.

Ядерные реакции могут происходить для фотонов выше их порога, то есть при энергиях от Е_пор до 15 МэВ. Они приводят к возникновению вторичных тяжелых частиц, в основном нейтронов и протонов. Однако могут возникать и осколки ядер, α-частицы, дейтроны и другие частицы. Их вклад в общий процесс поглощения энергии веществом незначителен (~ 1%).

Несмотря на то, что рентгеновское излучение - это те же фотоны, но более низких, чем g-излучение энергий, они взаимодействуют с веществом перечисленными выше механизмами. Рассмотрим его взаимодействие с веществом отдельно, поскольку рентгеновское излучение очень широко используется в прикладных целях, в частности, в диагностике и терапии.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Рентгеновское излучение - это электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между γ-излучением и ультрафиолетовой областью. Оно представляет собой фотоны низких энергий от единиц до ~ 200 кэВ, длина волны которых лежит в диапазоне 10^-12 – 10^{-8 м, а частота 1016} – 10²⁰ Гц.

Рентгеновское излучение получают в рентгеновской трубке, представляющую собой электронную лампу диод (рис.16.12а). В ней электроны испускаются катодом, разогретым до высокой температуры. Они ускоряются электрическим полем, возникающим между катодом и анодом, к последнему подводится высокое напряжение. При соударении электронов с анодом, представляющим собой металлическую мишень, они тормозятся. Часть их энергии, причем для каждого электрона различная, превращается в излучение. Большая часть энергии электронов рассеивается в виде тепла. Поэтому анод необходимо искусственно охлаждать. Анод в рентгеновской трубке делается из металла, имеющего высокую температуру плавления, например, из вольфрама. Рентгеновское излучение имеет широкий сплошной спектр энергий фотонов (рис.16.12б) и поэтому его относят к тормозному виду излучения. Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода.

Сплошной спектр начинается с граничной длины волны λ₀:

, (16.1.12)

где V – приложенное напряжение между анодом и катодом рентгеновской трубки.

Граничная длина волны λ₀ определяется минимальной величиной энергии фотона, позволяющей вырвать электрон с поверхности катода.

С веществом рентгеновское излучение взаимодействует либо в результате когерентного рассеяния, фотоэффекта, либо в результате комптоновского эффекта. При поглощении фотона атом испускает электрон с одной из своих внутренних оболочек. Оказываясь в возбужденном состоянии, атом может испустить характеристическое рентгеновское излучение - фотоны, которые испускаются при переходе на внутренних оболочках атома с более высокого энергетического состояния на свободное низкое состояние. Оно имеет не сплошной, а линейчатый спектр. Поэтому на сплошной спектр (рис.16.12б) накладываются узкие пики, характеризующие переходы между оболочками атома.

Этот тип излучения возникает, когда электрон, достигая анода, выбивает один из их электронов с внутренних орбит атома. В результате появляется свободное место (дырка), которое может быть заполнено другим электроном, переходящим с одной из верхних атомных орбит. Переход электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень приводит к возникновению рентгеновского излучения с определенной дискретной длиной волны. Если, например, в атоме «выбиваются» электроны К-оболочки, то при возвращении его в стабильное состояние на К-оболочку переходят электроны с L-оболочки. Такому переходу соответствует К_α-линия, а если с М-оболочки, то - К_β-линия. В случае безызлучательного перехода между оболочками атом испускает электрон (называемый оже-электроном). С увеличением напряжения граница спектра λ₀ смещается в сторону больших длин волн. Максимумы линейчатого спектра в этом случае не смещаются. Соответствующие им длины волн характеризуют химический элемент.

λ₀

Рис.16.12. Рентгеновская трубка (А) и спектр рентгеновского излучения (Б) (нет λ₀₎.

Устройств и приборов, использующих в своей основе рентгеновское излучение миллионы. Самый распространенный среди них рентгеновский аппарат. Их в обычной поликлинике бывает больше десятка.

Основная идея работы рентгеновской аппаратуры заключается в том, что массовый и линейный коэффициенты ослабления значительно отличается для разных тканей. Его значение сильно зависит от энергии фотона и заряда ядер вещества Z:

, (16.1.13)

где - энергия фотона, k – коэффициент пропорциональности.

Как видим, он пропорционален кубу заряда обратно пропорционален кубу энергии .

Зависимость поглощения излучения от Z очень важна с практической точки зрения. Например, коэффициент поглощения костей, которые состоят из фосфата кальция, почти в 150 раз превышает коэффициент поглощения мягких тканей (Z =20 для кальция и Z =15 для фосфора). Потому при прохождении рентгеновских лучей через тело человека, кости четко выделяются на фоне мышц и соединительной ткани.

Известно, что пищеварительные органы имеют такую же величину коэффициента поглощения, как и другие мягкие ткани. Но тень пищевода, желудка и кишечника можно различить, если пациент примет внутрь контрастное вещество - сернокислый барий (Z= 56 для бария). Сернокислый барий непрозрачен для рентгеновских лучей (то есть сильно поглощает фотоны рентгеновского диапазона) и часто используется для рентгенологического обследования желудочно-кишечного тракта. Определенные непрозрачные смеси вводят в кровяное русло для того, чтобы исследовать состояние кровеносных сосудов, почек и т.п. Как контрастное вещество в этом случае используют йод, атомный номер которого составляет 53.

Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила их высокая проникающая способность. В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека. В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). К ним относятся рентгеноскопия, флюорография, рентгенография и компьютерная рентгеновская томография.

Рентгеноскопия. В этом случае рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. Врач в динамике наблюдает в течении сеанса теневое изображение органов после прохождения рентгеновских лучей через тело пациента. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту.

Пример. 16.1. Сравнить поглощение фотонов одинаковой энергии кальцием и водой.

Используя формулу (16.1.13) получим отношение массовых коэффициентов ослабления кальция и воды:

Пример. 16.2. Рентгеновский аппарат [5]. Физический принцип действия рентгеновского аппарата основан способности рентгеновского излучения проникать сквозь тело человека, а также на различии массовых коэффициентов поглощения разных тканей. Это проявляется в том, в какой степени разные ткани пропускают рентгеновское излучение. Чем выше плотность ткани, тем сильнее она поглощает рентгеновские лучи (то есть говорят, что больше сечение поглощения). На экране эти области выглядят темнее. Чем ниже плотность ткани или в ней существует полость, тем светлее изображение на пленке или экране.

В простейшем рентгеновском аппарате, используемом для флюорографии, снимок получают только с одного направления (на рис.16.13 при одном положении детектора и рентгеновского источника). В этом случае положение рентгеновской трубки фиксировано. Этот метод используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения.
Рентгенография. (Радиография рентгеновскими лучами). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно с двух направлений в двух перпендикулярных плоскостях. Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа. Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии. Рентгенография по сравнению флюорографией и рентгеноскопией более совершенный метод, позволяющий увидеть изображение с двух сторон.

Современные рентгеновские аппараты, как показано на рис.16.13, состоят из рентгеновской трубки (1), устройства для привязки пучка к телу пациента, детекторов рентгеновского излучения (2), устройства обработки данных с детекторов (3) и пульта управления с экраном (4).

Их действие выглядит так. Рентгеновское излучение из рентгеновской трубки проходит через тело человека и попадает в детектор. Там полученная информация усиливается и записывается в память устройства (3). Это относится к простому рентгеновскому аппарату.

В более совершенных рентгеновских аппаратах рентгеновская трубка меняет положение, двигаясь по окружности. С каждого направления получается отдельный снимок. Затем в устройстве (3) все снимки суммируются и в результате их обработки получают изображение одного среза тела человека, показанного на рис.16.13. Изображение среза мы видим на экране пульта. Это устройство занимает промежуточное место между простым рентгеновским аппаратом и рентгеновским томографом.

Рис.16.13. Принцип действия рентгеновского аппарата.

Пример. 16.3. Компьютерный томограф [6]. Разные органы, кости и другие непрозрачные для рентгеновских лучей участки могут затенять другие части тела человека. Поэтому необходимо перемещать источник рентгеновского излучения, чтобы делать снимки с разных сторон, так чтобы непрозрачные места не закрывали исследуемые органы. Принцип действия компьютерного томографа показан на рис.16.14. В отличие от снимков, сделанных на рентгеновской установке, представленной на рис.16.13, в компьютерном томографе (КТ) такие снимки выполняются с определенным небольшим шагом, причем их количество существенно больше. Набор снимков - срезов позволяет увидеть картину имеющихся в организме патологий. Источник рентгеновского излучения движется вокруг тела человека по спирали.

Таким образом, в компьютерном томографе осуществляют послойное фотографирование тела, то есть получают томограмму[7]. На первых установках, которые называли рентгеновскими томографами, было несколько датчиков для регистрации рентгеновского излучения. В настоящее время их тысячи. Поэтому основная задача томографа – быстрая компьютерная обработка большого количества снимков (компьютеры обрабатывают 1000 снимков за 30 секунд). Рентгеновские томографы стали называть компьютерными томографами, поскольку компьютер и программы обработки данных на нем стали основным элементом прибора. На первых установках пучки были тонкие карандашные. Когда число регистрирующих датчиков увеличилось, стали применяться, например, веерные схемы. В настоящее время развито уже пять поколений КТ. Все они преследуют цель – увеличение скорости и качества обработки снимков.

Рис.16.14. Принцип действия рентгеновского компьютерного томографа.

Пример. 16.4. Гамма – камера. Гамма – камера и ее усовершенствованная конструкция - однофотонный эмиссионный компьютерный томограф (ОФЭКТ) основаны на использовании радиоактивных изотопов таллия-201 (Tl²⁰¹) и технециума-99m (Th^99m), которые вводятся в тело человека. Гамма-камера (рис.16.15) состоит из коллиматора, детектора на базе сцинтилляционного кристалла NaI (T1), фотоэлектронных умножителей, электронной схемы определения положения и величины вспышек, компьютера для получения изображения и консоли оператора. На ней получают двухмерное изображение органов человека.

Испускаемые из органов человека фотоны регистрируются сцинтилляционными счетчиками. По распределению фотонов определяется распределение изотопов в тканях и с помощью компьютера осуществляется их визуализация. Наработка изотопов для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии осуществляется на циклотронах или линейных ускорителях протонов с энергией более 20 МэВ.

В ОФЭКТ, в отличие гамма – камеры осуществляется множество снимков, по которым строится трехмерное изображение объекта.

Для диагностики всего тела используется либо подвижный детектор, который перемещается вдоль пациента, либо подвижный стол, который перемещается под неподвижным детектором. В ОФЭКT – системах применяют подвижную установку, называемую гантри[8]. На ней крепятся детектор и коллиматоры, которые вращаются по круговой, эллиптической или повторяющей контур тела траектории. Некруговые траектории позволяют детектору быть ближе к телу пациента, таким образом, увеличивая пространственное разрешение.

Рис.16.15. Устройство гамма – камеры.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Нейтрон не имеет электрического заряда. Поэтому взаимодействие нейтронов с веществом происходит в основном благодаря их упругому и неупругому рассеянию на атомных ядрах, а также в результате ядерных реакций (рис.16.16). Электромагнитное взаимодействие нейтрона с атомными электронами пренебрежимо мало.

На пальцах взаимодействие нейтрона с веществом происходит так. Когда нейтрон, например, с энергией 1 МэВ, движется в воде, он может осуществить ядерную реакцию, проникая внутрь ядра атома. В результате нее ядро может испустить одну частицу или распадется на несколько фрагментов. Другой вариант развития событий – нейтрон рассеивается на ядрах водорода или кислорода. Причем рассеяние может быть упругим и неупругим. В последнем случае ядро атома кислорода переходит в возбужденное состояние и из него испускается либо фотон, либо нуклон. На ядрах водорода - протонах происходит только упругое рассеяние. В результате многих актов рассеяния энергия нейтрона уменьшается, достигая значения энергии тепловых нейтронов (то есть имеющих среднюю энергию, соответствующую температуре среды).

а)

A

б) в)

Рис.16.16. Взаимодействие нейтронов с веществом: упругое (а), неупругое (б) и ядерные реакции (в).

Условно нейтроны делятся на медленные (с энергией Т £ 1 кэВ), включающие в себя и тепловые нейтроны (0.025 эВ £ Т £ 1 кэВ), промежуточные (1 кэВ £ Т £ 500 кэВ) и быстрые (500 кэВ £ Т).

Нейтроны используются для анализа структуры вещества, исследования молекулярного строения и состава биологических тканей. В медицине нейтроны используются в основном для получения радиоактивных изотопов. В лучевой терапии их использование находится в стадии научных разработок, но уже работают опытные установки.

Дата добавления: 2014-01-07