Основы радиационной биофизики - Кудряшов Ю.Б.
Скачать (прямая ссылка):
dE
dx
ион гелия захватывает еще один электрон и превращается в атом гелия. Для учета такого рода процессов в формулу Бете—Блоха вводится уточнение, связывающее изменение заряда частицы со скоростью:
2* = 2 [1 — ехр (— 125 Р 2~2^3)], (1-16)
где z* — заряд частицы, зависящий от скорости. Если и->0, то и член р = и/с-»-0, а следовательно, и г*-*-0, т. е. при достаточно низких скоростях частицы величина дифференциальной потери энергии dEfdx снижается и стремится к нулю.
При высоких скоростях величина dEldx также снижается пропорционально I/o*. Тогда при определенных скоростях (а значит, энергиях) частиц величина dE/dx должна пройти максимум. Этот максимум экспериментально доказан и известен под названием «пик Брэгга». Для электронов пик Брэгга наблюдается при энергии примерно 200 эВ, для протонов — между 60 и 100 кэВ. На рис. 1-5 показано изменение величины дифференциальной потери энергии электронов и протонов в воде в зависимости от энергии частиц.
Существование пика Брэгга позволяет, например, с максимальной эффективностью проводить лучевую терапию опухолей. При этом в зависимости от локализации опухолей выбирают вид излучения и его энергетическую характеристику такими, чтобы пик Брэгга приходился на топографически обозначенный очаг злокачественных клеток.
2. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Одно и то же количество энергии можно сообщить биологическому объекту при облучении различными типами ионизирующих частиц. Поглощенная энергия затрачивается на возбуждение и ионизацию атомов и молекул. В основе конечного радиобиологического эффекта лежат физико-химические превращения возбужденных и ионизированных молекулярных структур. Та? как число возбуждений и ионизаций определяется величиной поглощенной дозы излучения, можно было бы ожидать, что различные виды
_ 100 /"\ ' ........
о
ш
ИИ.
epi ¦\ / \
го
о
S \ / \
* - 10 А \
8. з г
о? 1
в * IV \
Л * 0,5
§ 0,2 ' \ \
о. \ \
, S о,1 4 - ’’ Г
о .... 1 . I 1 I I I I
100 1 10 100 1 ю 100 1 ю эВ кэВ МэВ Г»В
Энергия
Рис. I—5. Зависимость дифференциальной потери энергии в воде от величины энергии заряженных частиц (по Ней-фельд и Снайдер, 1961): 1 — протоны, 2 — электроны
ионизирующих частиц приводят ,к одному и тому же биологическому эффекту при условии, что объект поглотил одинаковую дозу (т. е. энергию) излучения. В действительности это не так. На рис. 1-6 приведены результаты эксперимента по определению выживаемости клеток, облученных различными типами ионизирующих частиц. Поглощение, одной и той же дозы излучения приводит к различным эффектам. Так, сообщение популяции клеток:
4—6 Гр энергии потоком а-частиц приводит к гибели 99,9% клеток, а при такой же поглощенной дозе рентгеновского или р-из-лучения гибнет только 20—30% облученных клеток (рис. 1-6).
Рис. 1—6. Выживаемость культуры Т-клеток поч- 100 ки человека при действии различных типов иони- о зирующих частиц (по Барендсену, 1964): 1 — g 10 а-частицы с энергией 2,5 МэВ, ЛПЭ= *
= 165 КэВ/мкм; 2 — а-частицы с энергией S 1 27 МэВ, ЛПЭ=25 КэВ/мкм; 3 — дейтроны с I энергией 3,0 МэВ, ЛПЭ=20 КэВ/мкм; 4 — рент- * о,1 геновские лучи, 20 кВ, ЛПЭ=6 КэВ/мкм; 5 — 5
рентгеновские лучи, 250 кВ, ЛПЭ=2,5 КэВ/мкм; а0’01 6—{5-частицы с максимальной энергией 2,2 МэВ, м ЛПЭ=0,3 КэВ/мкм
Следовательно, интегральная поглощенная доза, по величине которой судят о суммарном числе образованных возбуждений и ионизаций, не может использоваться для сопоставления эффективности различных типов излучения. Точно так же не совпадает со степенью конечного биологического эффекта величина энергии ионизирующих частиц: а-частицы с энергией 2,5 МэВ эффективнее а-частиц с энергией 27 МэВ, а р и а-частицы примерно равной энергии значительно различаются по степени поражающего1 действия.
Критерием «качества» излучения, эффективности его биологического действия, служит величина дифференциальной потери энергии частиц на единицу длины пути dE/dx, которая получила название «линейная передача энергии» (ЛПЭ). В математических выражениях ЛПЭ обозначается символом L:
энергия, переданная частицей веществу, кэВ
расстояние, пройденное частицей, мкм ' '
Величина ЛПЭ в кэВ/мкм зависит от плотности вещества. При делении ЛПЭ на плотность вещества р получаем значение L/lp, которое не зависит от плотности. Эту величину тоже называют ЛПЭ или тормозной способностью вещества, и измеряется она в МэВ/см^г-1. Как видно из определения, величина ЛПЭ характеризует распределение энергии, переданной веществу, вдоль трека частицы. Зная ЛПЭ, легко определить среднее число ионов, образованных на единицу пути частицы. Для этого достаточно разделить значение ЛПЭ на величину энергии, необходимой-для об-
