Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
58
Гл. II. Поглощение энергии ионизирующих излучений
в радиотерапии при определении оптимальных режимов облучения различных биологических объектов и систем.
4. Механизмы процессов поглощения энергии излучений
4.1. Поглощение рентгеновского и 7-излучений Рентгеновское излучение — это высокоэнергетическое коротковолновое (высокочастотное) электромагнитное излучение, которое может генерироваться при торможении ускоренных электронов в кулонов-ском поле ядер атомов вещества-поглотителя. В соответствии с законами электродинамики электрон, испытывающий торможение, теряет часть своей энергии за счет излучения; при энергии электрона выше 20 МэВ потеря энергии на излучение становится почти пропорциональной полной энергии электрона:
(- ^) ~ Z\Ek + m<?)N, (П.1)
\ их / радиац
где Ек — кинетическая энергия электрона, Z — заряд ядра материала поглотителя, N — число атомов в 1 см3 поглотителя.
Из соотношения (П.1) следует, что энергия квантов рентгеновского излучения примерно пропорциональна полной энергии электрона и находится в квадратичной зависимости от атомного номера материала поглотителя. Это учитывается при конструировании рентгеновских трубок (рис. П.2), в которых электроны приобретают большую кинетическую энергию при уско-| рении в электрическом поле, созда-
* ваемом за счет приложения высокого
S напряжения (сотни тысяч вольт) меж-
^ ду катодом и анодом.
Анод изготовляют из материалов с большим атомным номером, так как именно в кулоновском поле атомов анода и происходит торможение ускоренных электронов. При бомбардировке Рис. П.2. Рентгеновская трубка: анода электронами только 0,2% их ки-
а) принципиальная схема вклю- нетической энергии испускается в ви-
чения трубки: источник высо- де квантов рентгеновского излучения,
кого напряжения (СП включает- остальная энергия рассеивается в вися менаду анодом (Л) и катодом 1 ,
(К); б) спектр излучения трубки Де тепла. Поэтому необходимо надеж-
с молибденовым антикатодом ное охлаждение рентгеновских трубок.
, и ~ 100000 В г |
© а/^\к Q
б
4. Механизмы процессов поглощения энергии излучений
59
Для некоторых экспериментальных исследований в качестве источника рентгеновского излучения используют ускорители — синхротроны, в которых электроны могут ускоряться до околосветовых скоростей. Искривление их траекторий в магнитном поле сопровождается так называемым синхротронным, или магнитотормозным излучением. Это излучение генерируется в узком конусе и направлено по касательной к траектории электрона в поле ускорителя. Благодаря высокой интенсивности такие пучки находят многие применения для научных исследований в ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской области спектра.
7-излучение — это электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (меньше 1 А), возникающее при изменении энергетического состояния атомного ядра, распада элементарных частиц и аннигиляции пар частиц, характеризуется дискретным спектром, j-излучение появляется также при торможении ускоренных электронов в кулоновском поле ядер атомов — в этом случае это тормозное излучение со сплошным спектром.
Во многих биологических исследованиях в качестве источника 7-излучения используют радиоактивный изотоп кобальта 60Со (источник 7-излучения с этим радионуклидом иногда называют «кобальтовой пушкой»); в этом случае 7-кванты генерируются в процессе радиоактивного распада 60Со с превращением в eoNi. Возбужденное ядро никеля переходит в стабильное состояние с последовательным испусканием деух квантов с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ.
Рентгеновское и 7-излучение по их физической природе относят к высокочастотным (коротковолновым) электромагнитным излучени-им. Частота их квантов и, соответственно, энергия в десятки и сотни тысяч раз выше, чем у квантов ультрафиолетового излучения. Используя различные источники, можно получить рентгеновские и 7-кванты сравнимой энергии, которые будут оставлять в тканях одинаковое количество энергии и образовывать одно и то же число нонов на единицу пути.
Следовательно, различие этих двух видов излучения связано с происхождением: рентгеновские лучи генерируются при торможении ускоренных электронов в кулоновском поле ядер атомов, а 7-излучение испускается возбужденными ядрами или возникает при аннигиляции частиц. Хотя, как видим, источники обоих видов излучений весьма отличны, по физическим параметрам они различаются только энергиями.
Ослабление интенсивности рентгеновского и 7-излучения в веществе подчиняется закону
I=loe-NSI, (П.2)
где / и /о — соответственно значения интенсивности излучения до и после их прохождения через слой толщиной 1; N — плотность частиц (число частиц в 1 см3 вещества); S — эффективное сечение, характеризующее вероятность процесса взаимодействия. Энергия квантов
