Свойства ионизирующих излучений

ВОЕННО–МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С.М. Кирова Экз. № __ Кафедра биологической и медицинской физики УТВЕРЖДАЮ Заведующая кафедрой доцент Новикова Н.Г. «____» _____________ 20__ г. ЛЕКЦИЯ № 19 по дисциплине «Физика, математика» на тему: «Свойства ионизирующих излучений» для курсантов и студентов I курса 2, 3, 4, 5, 7 факультетов Заведующая кафедрой биологической и медицинской физики, кандидат физико-математических наук, доцент, ЛГП МО РФ Н. Новикова Обсуждена и одобрена на заседании кафедры «____» _____________ 20__ г. Протокол № _____ Уточнено (дополнено): «____» _____________ 20__ г. Санкт-Петербург 2017 г. 2 Содержание плана лекции Учебные вопросы Время (мин.) Введение 1. Виды 5 ионизирующих излучений. Проникающая и 40 ионизирующая способность разных видов ионизирующих излучений 2. Рентгеновы лучи и их свойства 25 3. Закон ослабления рентгеновского и гамма-излучений 15 веществом Выводы и заключение 5 Литература 1) Использованная при подготовке лекции: Медицинская и биологическая физика: Учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, М.: Изд-во ГЭОТАР-Медиа, 2013. – 648 c. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика. Курс лекций для студентов медицинских вузов. М.: Изд-во ГЭОТАР-Медиа, 2010. 240 с. Ионизирующие излучения (происхождение, свойства, основы дозиметрии): учебное пособие/ под ред. Н.Г. Новиковой. – СПб.; ВМедА, 2016. – 113 с. Сивухин Д.В. Общий курс физики. В 5 т. Том 5. Атомная и ядерная физика. М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002. - 784 с. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т. 1. Физика атомного ядра. М.: Лань, 2009. – 384 с. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т. 2. Физика ядерных реакций. М.: Лань, 2009. – 330 с. 3 2) Рекомендуемая обучаемым для самостоятельной работы: Медицинская и биологическая физика: Учеб. для вузов / А.Н. Ремизов, М.: Изд-во ГЭОТАР-Медиа, 2013. – 648 c. Ионизирующие излучения (происхождение, свойства, основы дозиметрии): учебное пособие/ под ред. Н.Г. Новиковой. – СПб.; ВМедА, 2016. – 113 с. Новикова Н.Г. Курс лекций по дисциплине «Физика, математика». В 2х частях. Часть 1. Медицинская физика. Электронное учебное пособие. – СПб.: ВМедА, 2016. Лекция 10. Наглядные пособия Мультимедийная презентация лекции. Технические средства обучения 1) Компьютер. 2) Мультимедийный проектор. 3) Экран. 4 ТЕКСТ ЛЕКЦИИ Введение. Ионизирующим излучением называют потоки частиц и квантов электромагнитного поля - фотонов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Ионизирующими излучениями являются рентгеновское и -излучение, потоки -частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов. В данной лекции будут рассмотрены как источники ионизирующего излучения (рентгеновские трубки, радионуклиды, ускорители), так и вопросы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Виды 1. ионизирующих излучений. Проникающая и ионизирующая способность различных видов ионизирующих излучений ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - по определению ФЗ "О радиационной безопасности населения" от 5 декабря 1995 г. "излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков". Классификация ионизирующих излучений: Корпускулярные Электромагнитные (обладают массой покоя) (не обладают массой покоя) Заряженные Незаряженные Преимущественно Взаимодействуют Преимущественно взаимодействуют взаимодействуют исключительно с с электронной ядрами оболочкой с электронной оболочкой 5 Что происходит с ИИ при взаимодействии с веществом? 1) Рассеяние 2) Торможение 3) Поглощение 4) Образование электрон-позитронной пары Что происходит с веществом? 1) Возбуждение электронов (радиолюминесценция) 2) Отрыв электронов (ионизация) 3) Возбуждение ядра (испускание гамма-квантов) 4) Образование ядер отдачи 5) Ядерные реакции Основные характеристики ионизирующих излучений: 1) поток ионизирующего излучения Фn = dN/dt, где dN - число частиц, падающих на данную поверхность за интервал времени dt; 2) плотность потока jn = dФn/dS, где dФn - поток, приходящийся на площадь поперечного сечения dS поглощающего объема; 3) поток энергии Ф = dE/dt, где dE - суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); 4) энергетический спектр ионизирующего излучения - распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Основные количественные характеристики взаимодействия ионизирующих излучений с веществом: 1) линейная передача энергии (ЛПЭ) - энергия, переданная среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. 6 2) линейная плотность ионизации (ЛПИ) - числу пар ионов, создаваемых частицей или квантом на единице пути в веществе. ЛПИ зависит от природы и энергии частицы и от свойств вещества. В справочниках обычно указывается ЛПИ для стандартного вещества – сухого воздуха, а за единицу пути принимается один сантиметр. Ориентировочные значения ЛПИ для разных излучений даны в таблице. Значение линейной плотности ионизации в воздухе. Вид излучения ЛПИ (пар ионов на см) Альфа-частицы 40 000 Бета-частицы 400 Рентгеновские 5 и гамма-кванты Протоны 10 000 Конкретные значения ЛПИ могут отличаться от приведенных в 23 раза в зависимости от энергии частиц. В других веществах значения ЛПИ будут другими. В тканях человека значения ЛПИ примерно в 800 раз больше, чем в воздухе. 3) Пробег. За меру проникающей способности для частиц принимают расстояние, на котором частица замедляется до энергии, близкой к средней энергии теплового движения. Для квантов рентгеновых или гамма-лучей за меру проникающей способности принимают расстояние, на котором мощность излучения падает в е раз. Очевидно, что чем больше ЛПИ, тем в данном веществе меньше проникающая способность излучения. Излучения с высокой проникающей способностью называют жестким; если же проникающая способность мала, такое излучение называют мягким. Однако, эти термины относительны. Например, по сравнению с 7 альфа-частицами бета-излучение жесткое, а по сравнению с гамма-лучами – мягкое. а). Взаимодействие заряженных частиц с веществом Альфа-частицы Бета-частицы Масса покоя = 4 а.е.м. = 4 х 1,66·10-27 Масса покоя = 9,11х10-31 кг. (в кг. 7289 раз меньше) Заряд: +2 х 1,6.10-19 Кл -1,6.10-19 Кл Полная ионизация составляет 120-250 Линейная плотность ионизации тыс. пар ионов при энергии 4-9 примерно в 800 раз меньше и МэВ; удельная ионизация изменяется составляет в среднем примерно 100от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см 300 пар ионов на 1 см пути в пути в воздухе. воздухе. Обладая относительно большой β-частицы средних энергий оконным стеклом, массой и зарядом, α-частицы имеют задерживаются незначительную проникающую подошвой обуви, но могут вызывать способность. Вследствие этого они поражение могут быть полностью задержаны роговицы и т.п. Поэтому даже при листом плотной бумаги, одеждой, работе с мягкими β-излучателями слоем резины хирургических руки перчаток и эпидермисом кожи. перчатками, а от жестких β-частиц (с Однако при попадании α- энергией 1,5 МэВ и выше) следует излучающих нуклидов внутрь защищаться организма степень их опасности органического стекла. резко возрастает. кожных должны быть покровов, защищены экранами из 8 б) Взаимодействие нейтронов с веществом 1) Упругое рассеяние заключается в том, что нейтрон, обладающий определенным запасом энергии, при столкновении с ядром атома передает ему часть энергии, а сам изменяет направление своего движения. Суммарная энергия нейтрона и ядра до и после взаимодействия не изменяется, причем, чем больше масса неподвижного ядра по сравнению с массой движущегося нейтрона, тем меньшая доля энергии будет ему передана при столкновении. При равных массах сталкивающихся объектов (например, с ядром водорода) движущееся тело (в данном случае нейтрон) будет терять в среднем половину своей энергии. Ядро атома, получившее дополнительную энергию ("ядро отдачи"), покидает свои электронные оболочки и, обладая положительным зарядом, производит ионизацию. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона последовательно уменьшается и достигает значения, равного примерно 0,025 эВ, что соответствует энергии теплового движения атомов и молекул среды. В связи с этим такие нейтроны называются тепловыми. В последующем происходит реакция радиационного захвата - поглощение теплового нейтрона ядром одного из атомов среды с выделением избытка энергии в виде гамма-излучения и образованием изотопа исходного нуклида, как правило, радиоактивного. 2) Неупругое рассеяние происходит путем поглощения нейтрона ядром, но с последующей ядерной реакцией того или иного типа с выделением a-частицы или протона и образованием ядра нового нуклида. После поглощения нейтрона ядром возможна также реакция с выделением нейтрона меньшей энергии, g-излучения и образованием ядра исходного нуклида. Вероятность того или иного типа взаимодействия зависит от энергии нейтронов и характера ядер атомов облучаемой среды. По уровню энергии нейтроны условно могут быть разделены на: 9  медленные: холодные, тепловые и надтепловые (с энергией от 0,025 до нескольких эВ);  резонансные (до 500 эВ);  промежуточные (0,5 эВ - 0,5 МэВ);  быстрые (быстрые, очень быстрые и сверхбыстрые) с энергией от 0,5 до 300 МэВ и более. Разной энергии соответствует и разная скорость полета, которая у медленных (тепловых) нейтронов составляет около 2200 м/с, тогда как скорость нейтронов с энергией в 1 МэВ достигает 14000 км/с. Для нейтронов с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ доминирующим является упругое рассеяние, эффективность которого в отношении потери энергии нейтронами находится в обратной зависимости от массы ядер атомов облучаемой среды. Так, при каждом акте упругого рассеяния на ядрах водорода нейтрон теряет в среднем 50% энергии, на ядрах углерода (более тяжелого нуклида) - от 14 до 17%. Для того чтобы быстрый нейтрон с энергией в 1 МэВ стал тепловым (медленным) с Еn = 0,025 эВ, необходимо, чтобы в течение 10-6с произошло его столкновение с 25 ядрами водорода, 100 ядрами углерода или с 2100 ядрами урана. В связи с этим в качестве замедлителей быстрых нейтронов используют материалы, содержащие преимущественно легкие элементы (водород, бор, углерод и другие). Чаще всего в качестве таких материалов применяют воду, пластмассы, парафин. Для нейтронов с энергией 0,5 эВ - 200 кэВ, наиболее характерно неупругое рассеяние, происходящее, как правило, на ядрах атомов элементов середины и конца Периодической системы Д.И.Менделеева. Тепловые нейтроны с энергией до 0,5 эВ подвергаются главным образом радиационному захвату, причем ядра атомов ряда химических элементов отличаются избирательно высокой способностью поглощать тепловые нейтроны (бор, бериллий, кадмий, европий и некоторые другие), 10 что используется в построении биологической защиты и системах управления ядерным реактором. Нейтрон также может вызывать ядерные реакции, о которых говорилось ранее. Так одной из разновидностей реакций с участием нейтронов является реакция размножения нейтронов: 26Fe 56 + n  26Fe55 + 2n или 47Ag 107 + n  47Ag106 + 2n. Вылетевшие нейтроны могут попасть в другие ядра, снова выделятся нейтроны и т.д., то есть реакция может принять цепной характер. На подобных реакциях основано устройство нейтронной бомбы. Для захвата с испусканием частиц характерно наличие энергетического барьера Епор, ниже которого сечение реакции равно нулю. Порог этот довольно высокий и поэтому данный тип реакции характерен для быстрых нейтронов. 2. Рентгеновы лучи и их свойства Рентгеновы лучи – это электромагнитное излучение с длиной волны меньше 10-8м (от 10-8 до 10-14). Они проявляют как волновые (интерференция, дифракция, поляризация), так и корпускулярные свойства. Рентгеновы лучи были открыты в 1895 году немецким физиком Вильгельмом-Карлом Рентгеном. Интересно отметить, что уже через месяц в Военно-медицинской академии И.Т.Егоровым (начальником кафедры физики) и Н.А.Орловым был получен первый в России рентгеновский снимок. Этим двум людям принадлежит большая заслуга в развитии рентгенологии в России. А в 1905 году выпускником академии доктором Кравченко были сделаны первые рентгенограммы в боевой обстановке (на крейсере «Аврора» во время Цусимского боя). Основным источником рентгеновых лучей является рентгеновская трубка. Она представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух. В баллон вмонтированы два электрода: катод и 11 анод. Катод изготовлен из вольфрамовой спирали и разогревается электрическим током. В результате термоэлектронной эмиссии из катода вылетают электроны, которые фокусируются системой электродов и направляются узким пучком на анод. Число электронов, покидающих катод в единицу времени зависит от накала катода. Электроны получают кинетическую энергию за счет высокой разности потенциалов между катодом и анодом. Величина максимальной энергии электрона, выраженная в электронвольтах, численно равна этой разности. В аппаратах для рентгенодиагностики напряжение находится в пределах от 40 до 100 киловольт, в рентгенотерапевтических аппаратах – от 100 до 400 кВ. В энергию рентгеновского излучения переходит лишь 1-3 % кинетической энергии электронов. Остальная энергия выделяется в виде тепла при торможении электронов в веществе. Поэтому анод изготавливают в виде массивного цилиндра из вещества, хорошо проводящего тепло (меди). В центре анода, где сфокусирован пучок электронов, укрепляется пластинка (антикатод) из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. Именно в ней и тормозятся электроны. Энергия рентгеновских квантов и, соответственно, длина волны излучения зависит от энергии электронов, которая регулируется изменением подаваемого на трубку высокого напряжения. Чем выше напряжение, тем короче длина волны (излучение жестче). Его проникающая способность велика. И, наоборот, при малом напряжении излучается более длинноволновое (мягкое) излучение с низкой проникающей способностью. Для формирования узконаправленного пучка рентгеновских лучей торцевую поверхность анода срезают под углом, а на кожухе устанавливают свинцовый конический тубус. При попадании на антикатод быстрых электронов возможны два процесса: торможение в кулоновском поле атомов антикатода и выбивание электронов с одного из внутренних энергетических уровней. В первом случае 12 рождается излучение, которое называют тормозным из-за его происхождения. Оно имеет сплошной спектр, так как разные электроны поразному теряют свою кинетическую энергию, отдавая ее в виде излучения. Во втором случае излучение возникает при переходе электрона атома антикатода с одной из внешних оболочек на вакантное место, образовавшееся во внутренней оболочке. Поскольку энергия электронных оболочек дискретна, такое излучение будет иметь линейчатый спектр, характерный для вещества антикатода. Кроме того, спектр излучения, испускаемый данным атомом, не зависит от того, в состав какой молекулы он входит. Поэтому оно называется характеристическим излучением данного элемента таблицы Менделеева. Вид сплошного спектра тормозного рентгеновского излучения зависит прежде всего от напряжения, приложенного к рентгеновской трубке. При повышении напряжения на трубке длина волны, на которую приходится максимум излучения, уменьшается (излучение становится более жестким). Кроме того, при повышении ускоряющего напряжения возрастает общая мощность излучения: P = kIU2 Здесь k – коэффициент, зависящий от конструкции трубки, I – сила тока, U – напряжение на трубке. Очевидно, что при любом напряжении спектр начинается с некоторой минимальной длины волны min. Это следует из закона сохранения энергии. Энергия кванта не может быть больше, чем энергия, переданная электрону ускорившим его электрическим полем. Для случая граничной длины волны eU = h. Отсюда:  = eU/h, но =с/, поэтому min= hc/eU Если напряжение брать в киловольтах, а длину волны измерять в ангстремах (1А = 10-10 м), получим 13 min= 12,3/U [А]. Например, если U=60 кВ, min= 0,2 А. В медицинской рентгенологии применяется именно тормозное излучение. При этом важно иметь возможность в широких пределах регулировать как мощность, так и жесткость (проникающую способность) излучения. Например, для получения снимка кисти не требуется большой проникающей способности; в этом случае достаточно сравнительно небольшого напряжения на трубке (40-50кВ). Если же требуется снять кости таза, проникающая способность рентгеновых лучей должна быть высокой. Соответственно, напряжение берут 70-80 и более киловольт. В том случае, когда необходимо не меняя жесткости изменить мощность излучения, меняют силу тока в трубке путем регулировки накала катода. Характеристическое излучение также находит применение в биологии и медицине. Так рентгеноспектральный анализ, то есть обнаружение элементов по их характеристическому рентгеновскому спектру, позволяет обнаружить крайне малые количества токсических веществ (Hg, Pb, As и др.) в тканях организма и в окружающей среде. Рентгеноспектральный анализ широко применяется для исследования микроэлементов у растений и животных. Другой широкой сферой применения характеристического излучения является рентгеноструктурный анализ. В его основе лежит интерференция и дифракция рентгеновых лучей при их взаимодействии с кристаллической решеткой вещества. Этот метод используют для установления структуры кристаллических тел или макромолекул. Именно с помощью рентгеноструктурного анализа было установлено строение биополимеров, в первую очередь – белков и нуклеиновых кислот, что сыграло огромную роль в становлении и развитии молекулярной биологии, биофизики и биохимии. В настоящее время рентгеноструктурный анализ является одним 14 из основных методов исследования ДНК, РНК, белков и других биологически важных веществ. Взаимодействие рентгеновского и гамма-излучений с веществом Гамма-излучение: λ < 10-10 м. При столкновении рентгеновских и гамма-квантов с электронами вещества могут происходить следующие процессы: 1. Когерентное рассеяние, когда квант изменяет направление движения, но энергия его сохраняется. Этот процесс значителен только в случае мягкого рентгеновского излучения. 2. Поглощение или фотоэффект. В этом случае квант полностью отдает свою энергию одному из электронов атома. Электрон с большой скоростью вылетает из атома, превращаясь в ион. При этом кинетическая энергия электрона равна разности энергия кванта и работы выхода электрона (формула Эйнштейна): h = A + mv2/2 Некогерентное рассеяние или эффект Комптона. В этом случае квант при столкновении с атомом отдает электрону только часть своей энергии, отклоняясь от своего первоначального направления. Электрон вылетает из атома. При этом возникает рассеянное рентгеновское или гамма-излучение, длина волны которого больше, чем у падающего. Изменение длины волны зависит от угла , под которым рассеивается гамма-квант:  = h/mc(1- cos) 3. Образование электронно-позитронной пары. Если энергия кванта больше, чем 1,022 МэВ, то в поле ядерных сил он может превратиться в две частицы – электрон и позитрон. Этот процесс, обратный аннигиляции, называется процессом рождения пары. Вероятность каждого из перечисленных процессов существенно зависит от энергии кванта и от порядкового номера в таблице Менделеева 15 того элемента, с которым взаимодействует излучение. В частности, чем ближе к началу периодической системы находится элемент, тем менее вероятен процесс поглощения. С ростом энергии кванта вероятность поглощения и рассеяния уменьшается, причем вероятность поглощения убывает гораздо быстрее, чем вероятность рассеяния. Вероятность образования пар, наоборот, увеличивается с ростом энергии квантов и при больших энергиях процесс образования пар становится доминирующим процессом. При тех энергиях рентгеновских и гамма-квантов, которые чаще всего встречаются в практике врача, основную роль играет рассеяние (эффект Комптона). Так рассеянное излучение портит рентгеновское изображение, делая его менее четким и контрастным. Если при измерении ионизирующих излучений измерительный прибор окажется рядом с массивными предметами или стенами, рассеянное излучение может существенно исказить показания прибора. 3. Закон ослабления рентгеновского и гамма-излучения веществом Ослабление потока рентгеновых и гамма-лучей при прохождении их через слой вещества толщиной х количественно описывается законом Бугера: I = I0 e-x Здесь I0 – интенсивность падающего излучения, I – интенсивность излучения после прохождения через вещество.  - коэффициент ослабления. Он зависит от порядкового номера элемента, а также от вида и энергии излучения. Значения коэффициента ослабления для некоторых веществ приведены в таблице. Наряду с коэффициентом ослабления  часто пользуются другой величиной, называемой слоем половинного ослабления. Это толщина вещества, которая ослабляет интенсивность излучения вдвое. Его обозначают 16 d1/2. Слой половинного ослабления и коэффициент ослабления связаны между собой:  = 0,693/d1/2. Закон Бугера, записанный через слой половинного ослабления, принимает вид: I = I0 e-0,693x/d Зная величину слоя половинного ослабления в стандартном веществе (например в алюминии), можно сравнить жесткость (проникающую способность) разных излучений. Чем больше слой половинного ослабления, тем более жестким является излучение. В ряде случаев поглощающий слой вещества удобнее характеризовать не толщиной, а величиной массы, приходящейся на единицу площади (m/S). Тогда, вводя массовый коэффициент ослабления м = /, где  - плотность вещества, можно переписать закон Бугера в виде: I = I0 exp(-mm/S) Значения массовых коэффициентов ослабления в разных веществах гораздо меньше отличаются друг от друга, чем линейные коэффициенты ослабления и поэтому ими пользоваться удобнее. Приведем для сравнения следующую таблицу: , см-1 m, см2г-1 Вода 0,17 0,17 Воздух 0,0002 0,16 Алюминий 0,44 0,17 Бетон 0,39 0,17 Вещество Если излучение проходит последовательно через несколько разных веществ, то при использовании массового коэффициента ослабления аргументом экспоненты становится суммарная толщина слоя вещества, выраженная в массовых единицах. 17 Выводы и заключение. Знание природы и свойств ионизирующего излучения необходимо врачу для того, чтобы оценивать последствия воздействия ионизирующих излучений на организм человека. Количественная оценка этого воздействия, а также его механизмы будут рассмотрены на следующей лекции. Следует отметить, что ионизирующие излучения используются для диагностики и лечения ряда заболеваний, о чем в дальнейшем более подробно будет идти речь на кафедрах рентгенологии, военно-полевой терапии, военно-морской и радиационной гигиены и др. Исполнитель Доцент Н. Новикова