Материал: Методика медичних дозиметричних вимірювань та відповідна дозиметрична вимірювальна апаратура

Змінюючи положення центру гойдання, можна отримати пошарове рентгенівське зображення тіла.

Звідси й назва - томографія.

Можна, використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, екран (замість Ф), що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання, і ЕО, обробити тіньове рентгенівське зображення при томографії.

Такий сучасний варіант томографії (обчислювальна або комп'ютерна рентгенівська томографія) дозволяє отримувати пошарові зображення тіла на екрані електронно - променевої трубки або на папері з деталями менше 2 мм при відмінності поглинання рентгенівського випромінювання до 0,1%. Це дозволяє, наприклад, розрізняти сіру і білу речовину мозку і бачити дуже маленькі пухлинні утворення.

Висновки

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка. Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів і молекул речовини.

Одне з найбільш важливих медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів з діагностичною метою (рентгенодіагностика). В даному розділі було розглянуто взаємодію рентгенівського випромінювання з речовиною та фізичні основи застосування рентгенівського випромінювання в медицині.

РОЗДІЛ 2. ІОНІЗУЮЧЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

рентгенівський трубка біофізичний організм

2.1 Радіоактивність

Радіоактивністю називають мимовільний розпад нестійких ядер з випусканням інших ядер або елементарних частинок. Характерною ознакою, що відрізняє її від інших видів ядерних перетворень, є мимовільність ( спонтанність ) цього процесу. Розрізняють радіоактивність природну і штучну.

Природна радіоактивність зустрічається у нестійких ядер, існуючих в природних умовах.

Штучну називають радіоактивність ядер, утворених в результаті різних особистих ядерних реакцій. Принципової різниці між ними немає. Їм притаманні загальні закономірності .

Розглянемо основні типи радіоактивного розпаду .

Альфа - розпад полягає в мимовільному перетворенні одного ядра в інше ядро з випусканням а- частинки (ядра ато ма гелію 2Не ). Схему альфа- розпаду з урахуванням правила зміщення ( закону збереження зарядового і масового чисел) записують у вигляді Iа, ( 27.1 )де X і У- символи відповідно материнського і дочірнього ядер.

Прикладом а- розпаду є перетворення радону в полоній, а полонію в свинець : 222Кп 2 | | Ро + і 2 | | Ро 21 | РЬ + | а .

Сумарна маса дочірнього ядра і а- частинки менше маси материнського ядра, те ж можна сказати щодо їх енергій спокою. Різниця цих енергій дорівнює кінетичної енергії а- частинці та дочірнього ядра. При а- розпаді дочірнє, ядро може утворитися не тільки в нормальному, але і в збуджених станах. Так як вони приймають дискретні значення, то і значення енергії а- частинок, що вилітають з різних ядер одного і того ж радіоактивної речовини , дискретно. Енергія збудження дочірнього ядра найчастіше виділяється у вигляді у- фотонів. Саме тому а- розпад супроводжується у- випромінюванням. Якщо дочірні ядра радіоактивні, то виникає цілий ланцюг перетворень, кінцем якої є стабільне ядро.

Бета- розпад полягає у внутрішньоядерних взаємних перетворювань нейтрона і протона. Розрізняють три види р- розпаду:

.Електронний , або Р' - розпад , який проявляється в вильоті з ядра Р " -частинки (електрона). Енергії р- частинок приймають всілякі значення від 0 до Емах , спектр енергій суцільний . Це не відповідає дискретним ядерної енергетичному стану.

. Позитронний, або р ^-розпад.

. Електронний, або е-захват. Цей вид радіоактивності полягає у захопленні ядром одного з внутрішніх електронів атома, в результаті чого протон ядра перетворюється в нейтрон.

При електронному захопленні звільняються місця в електронній оболонкі, тому цей вид радіоактивності супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Саме з рентгенівського випромінювання і був виявлений електронний захват. При р-розпаді можливе виникнення у-випромінювання.

γ-розпад.Гамма промені- це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.

2.2 Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною

Заряджені частинки і γ-фотони, розповсюджуючись в речовині, взаємодіють з електронами і ядрами, внаслідок чого змінюється стан як речовини, так і часток.

Основним механізмом втрат енергії зарядженої частинки (α і β) при проходженні через речовину є іонізаційні гальмування. При цьому її кінетична енергія витрачається на збудження і іонізацію атомів середовища.

Взаємодія частинки з речовиною кількісно оцінюється лінійної щільністю іонізації, лінійної гальмівної здатністю речовини і середнім лінійним пробігом частинки.

Під лінійної щільністю іонізації i розуміють відношення числа dn пар іонів, утворених зарядженої іонізуючої часткою на елементарному шляху dl, до цього шляху: i = dn / dl. Розмірність - пар іонів / м.

Лінійною гальмівною здатністю речовини S називають відношення енергії dE, що втрачається зарядженої іонізуючої часткою при проходженні елементарного шляху dl в речовині, до довжини цього шляху: S = dE / dl. Розмірність-Дж/м. Середнім лінійним пробігом зарядженої іонізуючої частки R є середнє значення відстані, яку проходить частка в даній речовині до втрати іонізуючої здібності.

Графік залежності лінійної щільності іонізації від шляху х, прохідного α-часткою в середовищі (повітря), показаний на рис. 2.1. У міру просування частки в середовищі зменшуються її енергія і швидкість, лінійна щільність іонізації при цьому зростає і тільки при завершенні пробігу частинки різко убуває. Зростання i обумовлено тим, що при меншій швидкості α-частинка більше часу проводить поблизу атома і, таким чином, зростає ймовірність іонізації атома. Як видно з малюнка, лінійна щільність іонізації α-частинок природно-радіоактивних ізотопів в повітрі при нормальному тиску становить i = (2-г 8) 106 пар іонів / м.

Так як для іонізації однієї молекули потрібна енергія близько 34 еВ, то значення лінійної гальмівної здатності речовини (повітря) в інтервалі 70-270 МеВ / м.

Середній лінійний пробіг α-частинки залежить від її енергії. У повітрі він дорівнює кільком сантиметрам, в рідинах і в живому організмі - 10-100 мкм. Після того як швидкість α-частинки сповільнюється до швидкості молекулярно-теплового руху, вона, захопивши два електрона в речовині, перетворюється в атом гелію. Іонізація і збудження є первинними процесами.

Рис.2.1 Графік залежності лінійної щільності іонізації від шляху х, прохідного α-часткою в середовищі (повітря)

Вториними процесами можуть бути збільшення швидкості молекулярно-теплового руху, характеристичне рентгенівське випромінювання, радіолюмінесценція, хімічні процеси.

Взаємодія α-частинок з ядрами - значно більш рідкісний процес, ніж іонізація. При цьому можливі ядерні реакції, а також розсіювання α-частинок.

β-випромінювання, так само як і α-випромінювання, викликає іонізацію речовини.

Крім іонізації і збудження β-частинки можуть викликати і інші процеси. Так, наприклад, при гальмуванні електронів виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. β-Частинки розсіюються на електронах речовини, і їхні шляхи сильно викривляються в ньому. Якщо електрон рухається в середовищі зі швидкістю, що перевищує швидкість поширення світла в цьому середовищі, то виникає характерне черепковское випромінювання (випромінювання Черепкова-Вавилова).

При попаданні β +-частинки в речовину з великою ймовірністю відбувається така взаємодія її з електроном, в результаті якого замість пари електрон-позитрон утворюються два γ-фотона. Цей процес, схема якого показана на рис. 2.2, називають анігіляцією. Енергія кожного γ-фотона, що виникає при анігіляції, повинна бути не менше енергії спокою електрона або позитрона, тобто не менше 0,51 МеВ.

Незважаючи на різноманітність процесів, що призводять до ослаблення β-випромінювання, можна наближено вважати, що інтенсивність його змінюється за експоненціальним законом.

В якості однієї з характеристик поглинання β-випромінювання речовиною використовують шар половинного поглинання, при проходженні через який інтенсивність випромінювання зменшується вдвічі.Можна вважати, що в тканини організму β-частинки проникають на глибину 10-15 мм. Захистом від β-випромінювання служать тонкі алюмінієві, плексигласові та інші екрани.

Рис.2.2 β-випромінювання. Процес анігіляції

Так, наприклад, шар алюмінію товщиною 0,4 мм або води товщиною 1,1 мм зменшує вдвічі β-випромінювання від фосфору 15Р.

При попаданні γ-випромінювання в речовину поряд з процесами, характерними для рентгенівського випромінювання (когерентне розсіювання, ефект Комптона, фотоефект), виникають і такі, які неспецифічні для взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною. До цих процесів слід віднести виникнення пари електрон-позитрон, що відбувається при енергії γ-фотона, не меншою сумарної енергії спокою електрона і позитрона (1,02 МеВ), і фотоядерні реакції, які виникають при взаємодії γ-фотонів великих енергій з атомними ядрами. Для виникнення Фотоядерні реакції необхідно, щоб енергія γ-фотона була не меншою енергії зв'язку, що припадає на нуклон. В результаті різних процесів під дією γ-випромінювання утворюються заряджені частинки; отже, γ-випромінювання також є іонізуючим.

Ослаблення пучка γ-випромінювання в речовині зазвичай описують експоненціальним законом . Лінійний (або масовий) коефіцієнт поглинання можна представити як суму відповідних коефіцієнтів поглинання, що враховують три основних процеси взаємодії - фотоефект, Комптон-ефект і виникнення електрон-позитронного пар.

2.3 Біофізичні основи дії іонізуючого випромінювання на організм

Розглядаючи первинні фізико-хімічні процеси в організмі при дії іонізуючих випромінювань, слід враховувати дві принципово різні можливості взаємодії: з молекулами води і з молекулами органічних сполук. Під дією іонізуючих випромінювань відбуваються хімічні перетворення речовини, що отримали назву радіолізу. Вкажемо можливі механізми радіолізу води:

Реакція з киснем може призвести до утворення гидроперекису і перекису водню:

Взаємодія молекул органічних сполук з іонізірующіми випромінюваннями може утворити збуджені молекули, іони, радікалій і перекису:

З наведених реакцій ясно, що ці високоактивні в хімічному відношенні сполуки будуть взаємодіяти з іншими молекулами біологічної системи, що призведе до порушення мембран, клітин і функцій всього організму.

Розглянемо деякі загальні закономірності, характерні для біологічної дії іонізуючого випромінювання.

Значні біологічні порушення викликаються мізерно малими кількостями поглинається енергії випромінювання.

Іонізуюче випромінювання діє не тільки на біологічний об'єкт, підданий опромінення, але й на наступні покоління через спадковий апарат клітин. Ця обставина, а також його умовне прогнозування особливо гостро ставлять питання про захист організмів від випромінювання.

Для біологічної дії іонізуючого випромінювання специфічний прихований (латентний) період. Різні частини клітин по-різному чутливі до однієї і тієї ж дозі іонізуючого випромінювання. Найбільш чутливим до дії випромінювання є ядро ​​клітини.

Здатність до поділу - найбільш уразлива функція клітини, тому при опроміненні насамперед вражаються зростаючі тканини. Це робить іонізуюче випромінювання особливо небезпечним для дитячого організму, включаючи період, коли він знаходиться в утробі матері. Згубно діє випромінювання і на тканині дорослого організму, в яких відбувається постійний або періодичний поділ клітин: слизову оболонку шлунка і кишечника, кровотворну тканину, статеві клітини і т.д. Дії іонізуючого випромінювання на швидкорослі тканини використовують також при терапевтичному впливі на тканини пухлини.

При великих дозах може настати «смерть під променем», при менших - виникають різні захворювання (променева хвороба тощо).

2.4 Детектори іонізуючих випромінень

Детекторами іонізуючих випромінювань називають прилади, що реєструють α-, β-рентгенівське і γ-випромінювання, нейтрони, протони і т.д. Детектори використовують також для вимірювання енергії частинок, вивчення процесів взаємодії, розпаду і т.п.

Робота детекторів заснована на тих процесах, які викликають реєстровані частки в речовині.

З деякою умовністю детектори можуть бути представлені трьома групами: слідові (трекові) детектори, лічильники та інтегральні прилади.

Слідові детектори дозволяють спостерігати траєкторію частинки, лічильники реєструють появу частинки в заданнном просторі, інтегральні прилади дають інформацію про потік іонізуючого випромінювання. Ще раз відзначимо умовність цієї класифікації. Так, наприклад, слідові детектори можна використовувати, щоб порахувати пролітають частинки, від «поштучної» реєстрації часток лічильником можна перейти до сумарної оцінки потоку іонізуючого випромінювання тощо.

До слідові детекторам відносять камеру Вільсона, дифузійну, бульбашкову, іскрову камери і товстошарові фотопластинки. Спільність всіх цих пристроїв полягає в тому, що спостережувана частка іонізує молекули або атоми речовини на своєму шляху. Освічені іони проявляються по вторинним ефектам: конденсація пересиченої пари (камера Вільсона і дифузійна); пароутворення перегрітої рідини (бульбашкова камера); виникнення розрядів в газах (іскрова камера); фотохімічні дії (товстошарові фотопластинки).

В якості ілюстрації розглянемо лише роботу іскрової камери. Вона складається з електродів, простір між якими заповнено газом. Високовольтна напруга подається на електроди під час проходження частинкою простору камери, сигнал для включення напруги надходить з інших детекторів. Електрони, що виникли уздовж траєкторії частки при іонізації атомів газу, прискорюються електричним полем і виробляють самі ударну іонізацію. В результаті на невеликих ділянках утворюється видимий оком іскровий розряд.

На рис. 2.3 показана схема вузькозазорної іскрової камери. Відстань між електродами, поміщеними в камеру, порядку 1 см. Іскрові розряди виникають перпендикулярно електродів, їх сукупність вказує траєкторію частинки.

На рис. 2.3 Схема вузькозазорної іскрової камери

У стримерній (називають світяться розгалужені канали, що утворюються при електричному розряді в газах)іскровий камері відстань між електродами - 5-20 см. Високовольтна напруга знімається приблизно через 10-5 с після проходження частинки. За цей час іскри зароджуються тільки в безпосередній області первинної іонізації, створеної реєстрованої часткою.

Сліди часток в стримерній іскровій камері зображені на рис. 2.4.

Рис.2.4 Сліди часток в стримерній іскровій камері

До інтегральних детекторам можна віднести фотоплівки (фіксується ступінь почорніння після прояву плівки), іонізаційні камери безперервної дії.

Розглянемо пристрій і роботу іонізаційної камери безперервної дії. Вона являє собою конденсатор К, всередині якого знаходиться газ (рис. 2.5).