إشعاعات أيونية. أنواع الإشعاع وتفاعل الإشعاع المؤين مع مادة الأشعة المؤينة الضوئية

يمكن تقسيم الإشعاع المؤين تقليديا إلى فوتوني وكويدي. يشمل إشعاع الفوتون الاهتزازات الكهرومغناطيسية إلى جسمي - تدفق الجسيمات. يمكن اعتبار مفاهيم الإشعاع "الكهرومغناطيسي" و "الكم" و "الفوتون" مكافئة.

يعتمد نوع تفاعل الفوتونات مع ذرات مادة ما على طاقة الفوتونات. لقياس طاقة وكتلة الجسيمات الدقيقة ، يتم استخدام وحدة طاقة خارج النظام - إلكترون فولت. 1 فولت هي الطاقة الحركية التي يكتسبها جسيم يحمل شحنة أولية تحت تأثير فرق الجهد 1 فولت. 1 eV \u003d 1.6 x 10 19 J. وحدات متعددة: 1 keV \u003d 10 3 eV ؛ 1 إلكترون فولت \u003d 10 6 فولت.

بالنسبة الى الأفكار الحديثةالجسيمات المشحونة (α- ، β- ، البروتونات ، إلخ) تؤين المادة مباشرة ، والجسيمات المحايدة (النيوترونات) والموجات الكهرومغناطيسية (الفوتونات) مؤينة بشكل غير مباشر. تدفق الجسيمات المحايدة و موجات كهرومغناطيسيةتتفاعل مع المادة ، فتتسبب في تكوين جسيمات مشحونة تؤين الوسط.

2.1. إشعاع الفوتون والدم

الاشعاع الكهرومغناطيسي.يستخدم العلاج الإشعاعي إشعاع الأشعة السينية من أجهزة العلاج بالأشعة السينية ، وأشعة غاما من النويدات المشعة ، وإشعاع إشعاع عالي الطاقة (الأشعة السينية).

الأشعة السينية- إشعاع الفوتون ، ويتألف من أشعة الشمس و (أو) الإشعاع المميز.

إشعاع الكبح- الإشعاع الكهرومغناطيسي قصير الموجة الذي يحدث عندما تتغير سرعة (تباطؤ) الجسيمات المشحونة عند التفاعل مع ذرات المادة المتباطئة (الأنود). لا تعتمد الأطوال الموجية لإشعاع الأشعة السينية bremsstrahlung على العدد الذري لمادة الكبح ، ولكن يتم تحديدها فقط من خلال طاقة الإلكترونات المتسارعة. إن طيف أشعة الشمس متواصل ، مع طاقة الفوتون القصوى التي تساوي الطاقة الحركية للجسيمات المتباطئة.

الإشعاع المميزيحدث عندما تتغير حالة طاقة الذرات. عند إخراج إلكترون من الغلاف الداخلي

للذرة بواسطة إلكترون أو فوتون ، تمر الذرة إلى حالة مثارة ، ويشغل المكان الشاغر إلكترون من الغلاف الخارجي. في هذه الحالة ، تعود الذرة إلى حالتها الطبيعية وتصدر كمية من إشعاع الأشعة السينية المميز بطاقة تساوي الفرق في الطاقات عند المستويات المقابلة. يحتوي الإشعاع المميز على طيف خطي بأطوال موجية محددة لمادة معينة ، والتي ، مثل شدة خطوط الطيف المميز لإشعاع الأشعة السينية ، يتم تحديدها من خلال العدد الذري للعنصر Z والبنية الإلكترونية للذرة.

تتناسب شدة bremsstrahlung عكسًا مع مربع كتلة الجسيمات المشحونة وتتناسب طرديًا مع مربع العدد الذري للمادة في المجال الذي تتباطأ فيه الجسيمات المشحونة. لذلك ، لزيادة إنتاج الفوتونات ، يتم استخدام الجسيمات المشحونة الخفيفة نسبيًا - الإلكترونات والمواد ذات العدد الذري الكبير (الموليبدينوم ، التنجستن ، البلاتين).

مصدر الأشعة السينية لأغراض العلاج الإشعاعي هو أنبوب الأشعة السينية الخاص بأجهزة العلاج بالأشعة السينية ، والذي ينقسم ، حسب مستوى الطاقة المتولدة ، إلى تركيز قريب وأخرى بعيدة. يتم إنتاج إشعاع الأشعة السينية من أجهزة العلاج بالأشعة السينية ذات التركيز القريب عند جهد أنود أقل من 100 كيلو فولت ، والأشعة البعيدة - حتى 250 كيلو فولت.

إشعاع الكبح عالي الطاقة ،مثل إشعاع الأشعة السينية bremsstrahlung ، هو إشعاع كهرومغناطيسي قصير الموجة يحدث عندما تتغير سرعة (تباطؤ) الجسيمات المشحونة أثناء التفاعل مع الذرات المستهدفة. يختلف هذا النوع من الإشعاع عن الأشعة السينية عالية الطاقة. مصادر bremsstrahlung عالية الطاقة هي مسرعات الإلكترون الخطية - LUE مع طاقات bremsstrahlung من 6 إلى 20 MeV ، بالإضافة إلى مسرعات دورية - betatrons. للحصول على إشعاع عالي الطاقة ، يتم استخدام إبطاء الإلكترونات المتسارعة بشكل حاد في أنظمة التفريغ للمسرعات.

أشعة غاما- الإشعاع الكهرومغناطيسي قصير الموجة المنبعث من النوى الذرية المثارة أثناء التحولات المشعة أو التفاعلات النووية ، وكذلك أثناء إبادة الجسيم والجسيم المضاد (على سبيل المثال ، الإلكترون والبوزيترون).

النويدات المشعة هي مصادر لإشعاع جاما. تصدر كل نويدات مشعة كوانتا من طاقتها المحددة. يتم إنتاج النويدات المشعة في مسرعات وفي المفاعلات النووية.

يُفهم نشاط مصدر النويدات المشعة على أنه عدد تحلل الذرات لكل وحدة زمنية. يتم إجراء القياسات في بيكريل (بكريل). 1 Bq هو نشاط المصدر الذي يحدث فيه انحلال واحد في الثانية. وحدة النشاط غير النظامية - كوري (كي). 1 Ci \u003d 3.7 × 10 10 بيكريل.

مصادر إشعاع للعلاج الإشعاعي الخارجي وداخل التجويفات هي 60 شركةو 137 سي.الأدوية الأكثر استخدامًا 60 شركةمع طاقات الفوتون في المتوسط \u200b\u200b1.25 MeV (1.17 و 1.33 MeV).

للعلاج الإشعاعي داخل التجويفات ، يتم استخدام 60 Co ،

137 سي إس ، 192 إير.

عندما يتفاعل إشعاع الفوتون مع المادة ، تحدث ظاهرة التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون وتكوين أزواج الإلكترون والبوزيترون.

تأثير الصورةيتكون من تفاعل كم جاما مع إلكترون منضم للذرة (الشكل 10). في الامتصاص الكهروضوئي ، يتم امتصاص كل طاقة الفوتون الساقط بواسطة الذرة ، والتي يتم إخراج الإلكترون منها. بعد انبعاث الإلكترون الضوئي ، تتشكل شاغر في الغلاف الذري. يصاحب انتقال الإلكترونات الأقل ارتباطًا إلى مستويات شاغرة إطلاق الطاقة ، والتي يمكن نقلها إلى أحد إلكترونات الأغلفة العلوية للذرة ، مما يؤدي إلى هروبها من الذرة (تأثير أوجيه) ، أو تحويلها إلى طاقة إشعاع الأشعة السينية المميزة. وهكذا ، مع التأثير الكهروضوئي ، يتم تحويل جزء من طاقة كم جاما الأولي إلى طاقة الإلكترونات (الإلكترونات الضوئية وإلكترونات أوجيه) ، ويتم إطلاق جزء في شكل إشعاع مميز. تتحول الذرة التي فقدت إلكترونًا إلى أيون موجب ، ويفقد الإلكترون المطروح - إلكترون ضوئي - الطاقة في نهاية مساره ، وينضم إلى ذرة محايدة ويحولها إلى أيون سالب الشحنة. يحدث التأثير الكهروضوئي في طاقات منخفضة نسبيًا - من 50 إلى 300 كيلو فولت ، والتي تستخدم في العلاج بالأشعة السينية.

الشكل 10.تأثير الصورة

الشكل: أحد عشر.تأثير كومبتون

تأثير كومبتون (تشتت غير متماسك)ينشأ عند طاقة الفوتون من 120 كيلو فولت إلى 20 ميغا فولت ، أي مع جميع أنواع الإشعاع المؤين المستخدم في العلاج الإشعاعي. في تأثير كومبتون ، يفقد الفوتون الساقط ، نتيجة الاصطدام المرن بالإلكترونات ، جزءًا من طاقته ويغير اتجاه حركته الأولية ، ويخرج إلكترون الارتداد (إلكترون كومبتون) من الذرة ، مما يؤدي إلى زيادة تأين المادة (الشكل 11).

عملية تحويل طاقة الفوتون الأولي إلى طاقة حركية للإلكترون والبوزيترون وإلى طاقة إشعاع الإبادة. يجب أن تكون طاقة الكم أكبر من 1.02 ميجا فولت (ضعف طاقة راحة الإلكترون). يحدث هذا التفاعل بين الكميات والمادة عندما يتم تشعيع المرضى في مسرعات خطية عالية الطاقة بشعاع من إشعاع بريمستراهلونغ عالي الطاقة. يختفي الفوتون في حقل كولوم للنواة (أو الإلكترون).

الشكل: 12.تشكيل أزواج الإلكترون والبوزيترون

في هذه الحالة ، يُنقل الزوج الناتج كل طاقة الفوتون الساقط مطروحًا منه الطاقة الباقية للزوج. تفقد الإلكترونات والبوزيترونات التي تنشأ في عملية امتصاص كمات جاما طاقتها الحركية نتيجة تأين جزيئات الوسط ، وعندما تلتقي ، تفنى بانبعاث فوتونين بطاقة 0.511 إلكترون فولت لكل منهما (الشكل 12).

نتيجة للعمليات المذكورة أعلاه لتفاعل إشعاع الفوتون مع المادة ، يظهر الفوتون الثانوي والإشعاع الجسدي (الإلكترونات والبوزيترونات). القدرة المؤينة للجسيمات أكبر بكثير من قدرة إشعاع الفوتون. مع تناوب عمليات تكوين أزواج الإلكترون والبوزيترون ، يتم إنشاء عدد كبير من الفوتونات والجسيمات المشحونة في الوسط ، ما يسمى سيل من الإشعاع ،التي تتحلل مع تناقص طاقة كل فوتونات وجسيمات حديثة التكوين.

يترافق تفاعل إشعاع الأشعة السينية مع المادة مع تأينها ويتحدد بتأثيرين رئيسيين - الامتصاص الكهروضوئي وتشتت كومبتون. عندما يتفاعل إشعاع bremsstrahlung عالي الطاقة مع المادة ، يحدث تشتت كومبتون ، بالإضافة إلى تكوين أزواج أيونية ، نظرًا لأن طاقة الفوتون أكبر من 1.02 MeV.

تتغير شدة إشعاع الفوتون لمصدر نقطي في الفضاء بالتناسب العكسي مع مربع المسافة.

إشعاع عضلي- تدفقات الجسيمات المشحونة: الإلكترونات والبروتونات والأيونات الثقيلة (على سبيل المثال ، نوى الكربون) مع طاقات تصل إلى عدة مئات من MeV ، وكذلك الجسيمات المحايدة - النيوترونات. يسمى التشعيع بتيار الجسيمات الآن علاج الهدرون. إلى hadrons (من الكلمة اليونانية هادروس- "ثقيل") يشمل النيوكليونات والبروتونات والنيوترونات الداخلة إليها ، وكذلك π -الميزونات ، إلخ. مصادر الجسيمات هي المعجلات والمفاعلات النووية. اعتمادًا على الطاقة القصوى للبروتونات المتسارعة ، يتم تقسيم المسرعات بشكل تقليدي إلى 5 مستويات ، ومسرعات المستوى الخامس مع Ep\u003e 200 MeV (مصانع ميزون)

تستخدم لإنتاج النويدات المشعة الفردية. وكقاعدة عامة ، فإن إنتاج هذه النويدات المشعة على السيكلوترونات من مستوى آخر أمر مستحيل أو غير فعال.

شعاع إلكتروني عالي الطاقةتم إنشاؤها بواسطة نفس مسرعات الإلكترون كما هو الحال عند bremsstrahlung. يتم استخدام الحزم الإلكترونية ذات الطاقات من 6 إلى 20 ميجا فولت. تتمتع الإلكترونات عالية الطاقة بقوة اختراق كبيرة. يمكن أن يصل متوسط \u200b\u200bالمسار الحر لمثل هذه الإلكترونات في الأنسجة جسم الانسان 10-20 سم: شعاع الإلكترون الممتص في الأنسجة يخلق مجال جرعة حيث يتشكل الحد الأقصى من التأين بالقرب من سطح الجسم. بعد الحد الأقصى للتأين ، يحدث انحلال سريع للجرعة. في المسرعات الخطية الحديثة ، من الممكن تنظيم طاقة حزمة الإلكترون ، وبناءً عليه ، إنشاء الجرعة المطلوبة بالعمق المطلوب.

نيوترون - جسيم ليس له شحنة. تعتمد عمليات تفاعل النيوترونات (الجسيمات المحايدة) مع المادة على طاقة النيوترونات والتركيب الذري للمادة. يحدث التأثير الرئيسي لعمل النيوترونات الحرارية (البطيئة) بطاقة 0.025 إلكترون فولت على الأنسجة البيولوجية تحت تأثير البروتونات المتكونة في التفاعل (ن ، ع) وتفقد كل طاقتها في مكان الولادة. يتم إنفاق معظم طاقة النيوترونات البطيئة على إثارة وتقسيم جزيئات الأنسجة. تُفقد تقريبًا كل طاقة النيوترونات السريعة ذات الطاقات من 200 كيلو فولت إلى 20 ميجا فولت في الأنسجة أثناء التفاعل المرن. يحدث إطلاق المزيد من الطاقة نتيجة تأين الوسط بواسطة بروتونات الارتداد. تمنع كثافة الطاقة الخطية العالية للنيوترونات إصلاح الخلايا السرطانية المشععة.

نوع آخر من التعرض للنيوترونات هو العلاج بالتقاط النيوترون ، وهو طريقة ثنائية من العلاج الإشعاعي تجمع بين مكونين. المكون الأول هو نظير مستقر للبورون 10 ب ، والذي ، عند تناوله كجزء من دواء ، يمكن أن يتراكم في خلايا أنواع معينة من أورام المخ والأورام الميلانينية. المكون الثاني هو تدفق النيوترونات الحرارية منخفضة الطاقة. تشكلت نتيجة لالتقاط نواة 10 ب لنيوترون حراري ، فإن الجسيمات الثقيلة عالية الطاقة المشحونة (ينقسم البورون إلى ذرات الليثيوم وجزيئات ألفا) تدمر فقط الخلايا القريبة من ذرات البورون ، تقريبًا دون التأثير على الخلايا الطبيعية المجاورة. بالإضافة إلى البورون ، فإن استخدام العقاقير التي تحتوي على الجادولينيوم يعد أمرًا واعدًا في علاج التقاط النيوترونات. بالنسبة للأورام العميقة ، من الواعد استخدام النيوترونات الظهارية في نطاق الطاقة 1 فولت - 10 كيلو إلكترون فولت ، والتي تتمتع بقدرة اختراق عالية وتبطئ في الأنسجة إلى طاقات حرارية ، مما يجعل من الممكن إجراء علاج التقاط النيوترونات للأورام الواقعة على عمق 10 سم. الحصول على تدفقات عالية من الحرارة والظهارية يتم إجراء النيوترونات باستخدام مفاعل نووي.

بروتون هو جسيم موجب الشحنة. يتم استخدام طريقة التشعيع في "قمة براج" ، عندما يتم إطلاق أقصى طاقة للجسيمات المشحونة في نهاية المسار ويتم تحديدها في حجم محدود من التشعيع.

ورم منتفخ. نتيجة لذلك ، يتم تشكيل تدرج جرعات كبير على سطح الجسم وفي عمق الجسم المشع ، وبعد ذلك يحدث انحلال حاد للطاقة. من خلال تغيير طاقة الحزمة ، من الممكن تغيير مكان توقفها الكامل في الورم بدقة كبيرة. يتم استخدام حزم بروتون بطاقة 70-200 ميغا إلكترون فولت وتقنية الإشعاع متعدد المجالات من اتجاهات مختلفة ، حيث يتم توزيع الجرعة المتكاملة على مساحة كبيرة من الأنسجة السطحية. عند التشعيع بالسينكروسيكلوترون في PNPI (معهد بطرسبورغ للفيزياء النووية) ، يتم استخدام طاقة ثابتة لشعاع البروتون المستخرج - 1000 ميغا إلكترون فولت ويتم تطبيق طريقة التشعيع بشكل مستمر. تمر البروتونات ذات الطاقة العالية بسهولة عبر الجسم المشع ، مما ينتج تأينًا منتظمًا على طول مسارها. في هذه الحالة ، يوجد تناثر صغير للبروتونات في المادة ، وبالتالي ، تظل الحزمة الضيقة الحادة من البروتونات المتكونة عند المدخل عمليا نفس الضيق في منطقة التشعيع داخل الجسم. نتيجة للإشعاع المستمر مع تقنية الإشعاع الدوراني ، يتم توفير نسبة جرعة عالية جدًا في منطقة التشعيع إلى الجرعة على سطح الجسم - حوالي 200: 1. يتم استخدام حزمة بروتون ضيقة بأبعاد نصف شدة 5-6 مم لعلاج أمراض مختلفة من الدماغ ، مثل التشوهات الشريانية الوريدية للدماغ ، أورام الغدة النخامية ، إلخ. تأثير مذهل أيونات الكربونتبين أنه في قمة براج أعلى عدة مرات من ذروة البروتونات. تحدث تمزقات مزدوجة متعددة لولب الحمض النووي لذرات الحجم المشع ، والتي لا يمكن استعادتها بعد ذلك.

π -ميزون- جسيمات أولية غير سفلية ذات كتلة تشغل قيمتها مكانًا وسيطًا بين كتلة الإلكترون والبروتون. π-mesons مع طاقات 25-100 MeV تنتقل طوال الطريق عبر الأنسجة دون أي تفاعلات نووية عمليًا ، وفي نهاية المسار يتم التقاطها بواسطة نوى ذرات الأنسجة. يترافق فعل امتصاص الميزون مع انبعاث النيوترونات والبروتونات وجسيمات ألفا و Li و Be ، وما إلى ذلك من النواة المدمرة.لا تزال التكلفة العالية للدعم التكنولوجي للعملية تمنع الإدخال النشط للعلاج بالهادرون في الممارسة السريرية.

تتمثل مزايا استخدام الإشعاع عالي الطاقة في علاج الأورام الخبيثة في العمق ، في زيادة الطاقة ، وزيادة جرعة العمق وانخفاض جرعة السطح ، وقوة اختراق أعلى مع زيادة جرعة العمق النسبي ، وفرق أصغر بين الجرعة الممتصة في العظام والأنسجة الرخوة. في وجود معجل خطي أو بيتاترون ، ليست هناك حاجة للتخلص من مصدر مشع ، كما هو الحال عند استخدام النويدات المشعة.

عند إجراء المعالجة الكثبية ، يتم استخدام العلاج النظامي بالنويدات المشعة ، والنويدات المشعة α- ، β- ، γ ، بالإضافة إلى المصادر ذات الإشعاع المختلط ، على سبيل المثال ، γ- والنيوترون (n).

α -إشعاع- الإشعاع الجسيمي المكون من 4 نوى (بروتونان واثنان من النيوترون) ، ينبعث أثناء التحلل الإشعاعي للنواة أو أثناء التفاعلات النووية ، التحولات. تنبعث جسيمات ألفا أثناء التحلل الإشعاعي لعناصر أثقل من الرصاص أو تتشكل في النواة

تفاعلات. تتمتع جسيمات ألفا بقدرة عالية على التأين وقدرة اختراق منخفضة ، وتحمل شحنتين موجبتين.

يتم استخدام النويدات المشعة 225 Ac بعمر نصف يبلغ 10.0 أيام بالاشتراك مع الأجسام المضادة وحيدة النسيلة في العلاج المناعي الإشعاعي للأورام. على المدى الطويل ، تم استخدام 149 تيرابايت من النويدات المشعة بعمر نصف يبلغ 4.1 ساعة لهذه الأغراض.- بدأ استخدام بواعث Α في تشعيع الخلايا البطانية في الشرايين التاجية بعد العمليات - تطعيم مجازة الشريان التاجي.

β -إشعاع- الإشعاع الجسيمي مع طيف طاقة مستمر ، يتكون من إلكترونات أو بوزيترونات سالبة أو موجبة الشحنة (جسيمات أو β +) وينشأ عن تحلل β الإشعاعي للنواة أو الجسيمات غير المستقرة. β-Emitters تستخدم في علاج الأورام الخبيثة التي يسمح توطينها بالاتصال المباشر مع هذه الأدوية.

مصادر الإشعاع هي 106 رو ، β - - بواعث بطاقة 39.4 كيلو فولت ، وعمر نصف يبلغ 375.59 يومًا ، 106 ر ، β - كهربائي بطاقة 3540.0 كيلو إلكترون فولت ونصف عمر 29.8 ثانية. يتم تضمين كل من بواعث β 106 Ru + 106 Rh في مجموعات قضيب العيون.

β - - يستخدم باعث 32 P بطاقة 1.71 MeV وفترة نصف عمر 14.2 يومًا في أدوات تطبيق الجلد لعلاج الأمراض السطحية. النويدات المشعة 89 Sr عبارة عن باعث بيتا نقيًا تقريبًا بعمر نصف يبلغ 50.6 يومًا ومتوسط \u200b\u200bطاقة جسيم 1.46 MeV. يستخدم محلول من 89 Sr - كلوريد لعلاج ملطفة من النقائل العظمية.

153 سم مع طاقات إشعاع جاما تبلغ 203.229 و 268 كيلوفولت وبطاقات إشعاع γ تبلغ 69.7 و 103 كيلوفولت ، ونصف عمر 46.2 ساعة هو جزء من عقار ساماريوم أوكسابيفور المحلي ، ويهدف إلى التأثير على النقائل العظمية ، وكذلك استخدامه في المرضى الذين يعانون من آلام شديدة في المفاصل مع الروماتيزم.

90 Y مع عمر نصف 64.2 ساعة وطاقة قصوى تبلغ 2.27 MeV تستخدم لأغراض علاجية مختلفة ، بما في ذلك العلاج المناعي الإشعاعي مع الأجسام المضادة الموصوفة ، وعلاج أورام الكبد والتهاب المفاصل الروماتويدي.

تُستخدم النويدات المشعة 59 Fe كجزء من الأدوية المشعة ذات الأوراق الجدولة في المركز العلمي الروسي للأشعة السينية (موسكو) لعلاج مرضى سرطان الثدي. يكمن مبدأ عمل الدواء ، حسب المؤلفين ، في انتشار الحديد عن طريق مجرى الدم ، والتراكم الانتقائي في خلايا أنسجة الورم وتأثير إشعاع بيتا عليها. 67 Cu بعمر نصف 2.6 يوم يتم دمجه مع الأجسام المضادة وحيدة النسيلة لعلاج الأورام بالمناعة الإشعاعية.

186 Re في المستحضر (كبريتيد الرنيوم) بعمر نصف يبلغ 3.8 أيام يستخدم لعلاج أمراض المفاصل ، وتستخدم القسطرة البالونية مع محلول بيررينات الصوديوم للمعالجة الكثبية داخل الأوعية الدموية. يُعتقد أن هناك احتمالًا لاستخدام باعث 48 فولت + + مع نصف عمر 16.9 يومًا للمعالجة الكثبية داخل التاج باستخدام دعامة شريانية مصنوعة من التيتانيوم وسبائك النيكل.

131 أنا يستخدم في شكل حلول لعلاج أمراض الغدة الدرقية. 131 أنا تتحلل مع انبعاث طيف معقد من إشعاع بيتا وبيتا. يبلغ عمر النصف 8.06 يومًا.

تشتمل بواعث الأشعة السينية و Auger-electron على 103 Pd مع عمر نصف يبلغ 16.96 يومًا و 111 In مع عمر نصف يبلغ 2.8 يومًا. يستخدم 103 Pd في شكل مصدر مغلق في كبسولة التيتانيوم في المعالجة الكثبية للورم. 111 In يستخدم للعلاج المناعي الإشعاعي باستخدام الأجسام المضادة وحيدة النسيلة.

125 I ، وهو باعث (نوع من التحول النووي - التقاط الإلكترون مع تحويل اليود إلى تيلوريوم وإطلاق γ-quantum) ، يستخدم كمصدر صغير مغلق للمعالجة الكثبية. عمر النصف 60.1 يومًا.

مختلطγ + الإشعاع النيوتروني هو سمة من سمات 252 Cf مع نصف عمر 2.64 سنة. يتم استخدامه للإشعاع التلامسي ، مع مراعاة المكون النيوتروني ، في علاج الأورام شديدة المقاومة.

2.2. الجرعات السريرية

قياس الجرعات السريرية- قسم قياس الجرعات الإشعاعية المؤينة ، وهو جزء لا يتجزأ من العلاج الإشعاعي. تتمثل المهمة الرئيسية لقياس الجرعات السريرية في اختيار وإثبات وسائل الإشعاع التي توفر التوزيع المكاني والزماني الأمثل للطاقة الإشعاعية الممتصة في جسم المريض المشع والوصف الكمي لهذا التوزيع.

يستخدم قياس الجرعات السريرية تقنيات حسابية وتجريبية. تعتمد طرق الحساب على القوانين الفيزيائية المعروفة بالفعل لتفاعل أنواع مختلفة من الإشعاع مع المادة. بمساعدة الطرق التجريبية ، تتم محاكاة حالات العلاج بقياسات في أشباح مكافئة للأنسجة.

أهداف قياس الجرعات السريرية هي:

قياس الخصائص الإشعاعية لحزم الإشعاع العلاجية ؛

قياس مجالات الإشعاع والجرعات الممتصة في الأشباح ؛

القياسات المباشرة لمجالات الإشعاع والجرعات الممتصة للمرضى ؛

قياس مجالات الإشعاع للإشعاع المتناثر في الأخاديد ذات التركيبات العلاجية (لغرض السلامة الإشعاعية للمرضى والموظفين) ؛

إجراء معايرة مطلقة لأجهزة الكشف لقياس الجرعات السريرية ؛

دراسات تجريبية لطرق علاجية جديدة للإشعاع.

المفاهيم والكميات الرئيسية في قياس الجرعات السريرية هي الجرعة الممتصة ، مجال الجرعة ، شبح قياس الجرعات ، الهدف.

جرعة الإشعاع المؤين:1) قياس الإشعاع الذي يتلقاه الجسم المشع ، الجرعة الممتصة من الإشعاع المؤين ؛

2) خاصية كمية للمجال الإشعاعي - جرعة التعرض والكرمة.

الجرعة الممتصةهي كمية قياس الجرعات الرئيسية ، والتي تساوي نسبة متوسط \u200b\u200bالطاقة المنقولة بواسطة الإشعاع المؤين إلى مادة في حجم أولي إلى كتلة مادة في هذا الحجم:

حيث D هي الجرعة الممتصة ،

ه - متوسط \u200b\u200bطاقة الإشعاع ،

م هي كتلة المادة لكل وحدة حجم.

كوحدة لجرعة الإشعاع الممتصة في SI ، تم اعتماد Gray (Gy) تكريماً للعالم الإنجليزي Gray (L.N Gray) ، المعروف بأعماله في مجال قياس جرعات الإشعاع. 1 Gy يساوي الجرعة الممتصة من الإشعاع المؤين ، حيث يتم نقل مادة كتلتها 1 كجم إلى طاقة الإشعاع المؤين التي تساوي 1 J. في الممارسة العملية ، تعتبر الوحدة غير النظامية للجرعة الممتصة شائعة أيضًا - rad (جرعة ممتصة من الإشعاع). 1 rad \u003d 10 2 J / kg \u003d 100 erg / g \u003d 10 2 Gyأو 1 غرام \u003d 100 سعيد.

تعتمد الجرعة الممتصة على نوع الإشعاع وشدته وتكوينه النشط والنوعي ووقت التعرض وأيضًا على تكوين المادة. كلما زاد وقت الإشعاع ، زادت جرعة الإشعاع المؤين. تسمى زيادة الجرعة لكل وحدة زمنية معدل الجرعة،الذي يميز معدل تراكم جرعة الإشعاع المؤين. يُسمح باستخدام وحدات خاصة مختلفة (على سبيل المثال ، Gy / h ، Gy / min ، Gy / s ، إلخ).

تعتمد جرعة إشعاع الفوتون (الأشعة السينية وأشعة جاما) على العدد الذري للعناصر التي تتكون منها المادة. في ظل نفس ظروف التشعيع في المواد الثقيلة ، عادة ما يكون أعلى منه في الرئتين. على سبيل المثال ، في نفس مجال الأشعة السينية ، تكون الجرعة الممتصة في العظام أكبر منها في الأنسجة الرخوة.

في مجال الإشعاع النيوتروني ، العامل الرئيسي الذي يحدد تكوين الجرعة الممتصة هو التركيب النووي للمادة ، وليس العدد الذري للعناصر التي يتكون منها النسيج البيولوجي. بالنسبة للأنسجة الرخوة ، يتم تحديد الجرعة الممتصة من الإشعاع النيوتروني إلى حد كبير من خلال تفاعل النيوترونات مع نوى الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين. تعتمد الجرعة الممتصة في مادة بيولوجية على الطاقة النيوترونية ، حيث تتفاعل النيوترونات ذات الطاقات المختلفة بشكل انتقائي مع نوى المادة. في هذه الحالة ، يمكن أن تنشأ الجسيمات المشحونة ، والإشعاع ، ويمكن أيضًا أن تتشكل النوى المشعة ، والتي تصبح بدورها مصادر للإشعاع المؤين.

وهكذا ، فإن الجرعة الممتصة أثناء التشعيع النيوتروني تتشكل بسبب طاقة الجسيمات المؤينة الثانوية ذات الطبيعة المختلفة الناشئة عن تفاعل النيوترونات مع المادة.

يتسبب امتصاص الطاقة الإشعاعية في عمليات تؤدي إلى تأثيرات بيولوجية إشعاعية مختلفة. بالنسبة لنوع معين من الإشعاع ، ينتج عن الإشعاع تأثيرات معينة بطريقة معينة

المرتبطة بالطاقة الإشعاعية الممتصة ، غالبًا علاقة تناسبية بسيطة. يسمح هذا بأخذ جرعة الإشعاع كمقياس كمي لتأثيرات الإشعاع ، ولا سيما على الكائن الحي.

أنواع مختلفة من الإشعاع المؤين في نفس الجرعة الممتصة لها تأثير بيولوجي مختلف على أنسجة الكائن الحي ، والذي يتم تحديده من خلال فعاليتها البيولوجية النسبية - RBE.

يعتمد RBE للإشعاع بشكل أساسي على الاختلافات في التوزيع المكاني لأفعال التأين الناتجة عن الإشعاع الجسيمي والكهرومغناطيسي في المادة المشعة. تسمى الطاقة المنقولة بواسطة جسيم مشحون لكل وحدة طول مسارها في المادة نقل الطاقة الخطي (LET).هناك تأين نادر (LET< 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 keV / μm) أنواع الإشعاع.

عادة ما تتم مقارنة التأثيرات البيولوجية الناشئة عن أنواع مختلفة من الإشعاع المؤين بالتأثيرات المماثلة الناشئة في مجال الأشعة السينية مع طاقة فوتون حدودية تبلغ 200 كيلو إلكترون فولت ، والتي يتم أخذها كنموذج.

معامل RBEتحدد نسبة الجرعة الممتصة من الإشعاع القياسي ، والتي تسبب تأثيرًا بيولوجيًا معينًا ، إلى الجرعة الممتصة من هذا الإشعاع ، والتي تعطي نفس التأثير.

حيث D x هي جرعة نوع معين من الإشعاع يتم تحديد RBE له ، D R هي جرعة إشعاع الأشعة السينية النموذجية.

بناءً على بيانات RBE ، تتميز أنواع مختلفة من الإشعاع المؤين بانبعاثها الإشعاعي.

ترجيح معامل الإشعاع (معامل الإشعاع للإشعاع)هو معامل بلا أبعاد يجب من خلاله مضاعفة جرعة الإشعاع الممتصة في عضو أو نسيج لحسابه جرعة مكافئةالإشعاع لمراعاة فعالية أنواع مختلفة من الإشعاع. يستخدم مفهوم الجرعة المكافئة لتقييم التأثير البيولوجي للإشعاع بغض النظر عن نوع الإشعاع ، وهو أمر ضروري لأغراض الحماية من الإشعاع للأفراد العاملين مع مصادر الإشعاع المؤين ، وكذلك المرضى أثناء البحث والعلاج الإشعاعي.

جرعة مكافئةيُعرَّف بأنه متوسط \u200b\u200bالجرعة الممتصة في العضو أو الأنسجة مع مراعاة متوسط \u200b\u200bوزن معامل الإشعاع.

حيث H هي الجرعة الممتصة المكافئة ،

W R هو معامل الترجيح الإشعاعي الذي تحدده حاليًا معايير الأمان الإشعاعي.

وحدة الجرعة المكافئة في النظام الدولي للوحدات هي سيفرت (سيفرت)- سميت على اسم العالم السويدي آر إم سيفرت ، أول رئيس للجنة الدولية للحماية من الإشعاع (ICRP). إذا تم التعبير عن الجرعة الممتصة من الإشعاع (D) في الصيغة الأخيرة في Grays ، فسيتم التعبير عن الجرعة المكافئة في Sieverts. 1 Sv يساوي الجرعة المكافئة التي يكون عندها ناتج الجرعة الممتصة (D) في الأنسجة الحية من التركيبة القياسية بمتوسط \u200b\u200bمعامل الإشعاع (W R) 1 J / kg.

من الناحية العملية ، فإن الوحدة غير النظامية للجرعة المكافئة شائعة أيضًا - rem(1 Sv \u003d 100 rem) ، إذا تم التعبير عن جرعة الإشعاع الممتصة بالراد بنفس الصيغة.

عوامل الترجيح لأنواع معينة من الإشعاع عند حساب الجرعة المكافئة.

جرعة مكافئة فعالة- مفهوم يستخدم لتقييم قياس الجرعات للتعرض للأعضاء والأنسجة السليمة واحتمالية حدوث تأثيرات طويلة المدى. هذه الجرعة تساوي مجموع منتجات الجرعة المكافئة في العضو أو الأنسجة بواسطة عامل الترجيح المقابل (عامل الترجيح) لأهم أعضاء الإنسان:

حيث E هي الجرعة المكافئة الفعالة ،

Н Т - جرعة مكافئة في العضو أو الأنسجة Т ،

W T - معامل الترجيح للعضو أو الأنسجة T.

وحدة SI للجرعة المكافئة الفعالة هي Sievert (Sv).

لخصائص قياس جرعات مجال الإشعاع المؤين للفوتون ، جرعة التعرض.إنه مقياس للقوة المؤينة لإشعاع الفوتون في الهواء. وحدة جرعة التعرض في النظام الدولي للوحدات - قلادة بالكيلوغرام الواحد (ج / كغ).تعني جرعة التعرض التي تساوي 1 درجة مئوية / كجم أن الجسيمات المشحونة تنطلق في 1 كجم من هواء الغلاف الجوي أثناء الأعمال الأولية لامتصاص وتشتت الفوتونات

عند الاستخدام الكامل لمداها في الهواء ، تشكل الأيونات بشحنة كلية من نفس العلامة تساوي 1 كولوم.

في الممارسة العملية ، غالبًا ما يتم استخدام وحدة غير جهازية لجرعة التعرض الأشعة السينية (R)- باسم الفيزيائي الألماني رونتجن (و. ك. رونتجن): 1 ف \u003d 2.58 س10-4 م / كغ.

تُستخدم جرعة التعرض لتوصيف مجال الإشعاع المؤين للفوتون في الهواء فقط. يعطي فكرة عن المستوى المحتمل لتعرض الإنسان للإشعاع المؤين. عند جرعة تعريض مقدارها 1 R ، تبلغ الجرعة الممتصة في الأنسجة الرخوة في نفس مجال الإشعاع حوالي 1 راد.

بمعرفة جرعة التعرض ، من الممكن حساب الجرعة الممتصة وتوزيعها في أي جسم معقد يوضع في مجال إشعاعي معين ، وخاصة في جسم الإنسان. هذا يسمح لك بالتخطيط والتحكم في نظام إشعاع معين.

حاليًا ، في كثير من الأحيان ككمية قياس الجرعات التي تميز مجال الإشعاع ، يستخدمون كرم(KERMA هو اختصار للتعبير: الطاقة الحركية الصادرة في المادة). كرمة هي الطاقة الحركية لجميع الجسيمات المشحونة المنبعثة من الإشعاع المؤين من أي نوع ، لكل وحدة كتلة من المادة المشعة أثناء التفاعلات الأولية للإشعاع مع هذه المادة. في ظل ظروف معينة ، فإن الكرمة تساوي الجرعة الممتصة من الإشعاع. بالنسبة لإشعاع الفوتون في الهواء ، فهو مكافئ للطاقة لجرعة التعرض. أبعاد الكرمة هي نفس أبعاد الجرعة الممتصة ، معبراً عنها بـ J / كجم.

وبالتالي ، فإن مفهوم "جرعة التعرض" ضروري لتقييم مستوى الجرعة المتولدة من مصدر الإشعاع ، وكذلك للتحكم في نظام التعرض. يستخدم مفهوم "الجرعة الممتصة" عند التخطيط للعلاج الإشعاعي من أجل تحقيق التأثير المطلوب (الجدول 2.1).

مجال الجرعةهو التوزيع المكاني للجرعة الممتصة (أو قوتها) في الجزء المشع من جسم المريض ، أو وسط معادل للأنسجة ، أو شبح قياس الجرعات الذي يحاكي جسم المريض من خلال التأثيرات الفيزيائية لتفاعل الإشعاع مع المادة ، وشكل وحجم الأعضاء والأنسجة ، وعلاقاتهم التشريحية. يتم تقديم المعلومات حول مجال الجرعة في شكل منحنيات تربط نقاطًا لها نفس القيم (المطلقة أو النسبية) للجرعة الممتصة. تسمى هذه المنحنيات متماثل ،وعائلاتهم هي خرائط متساوية. يمكن أخذ الجرعة الممتصة في أي نقطة من مجال الجرعة كوحدة تقليدية (أو 100٪) ، على وجه الخصوص ، الجرعة الممتصة القصوى ، والتي يجب أن تتوافق مع الهدف المراد تشعيعه (أي المنطقة التي تغطي الورم المكتشف سريريًا والمنطقة المفترضة لانتشاره).

تتميز الخصائص الفيزيائية لمجال التشعيع بمعلمات مختلفة. يتم استدعاء عدد الجسيمات التي تدخل الوسط طلاقة.مجموع كل الجسيمات المخترقة والجسيمات المنتشرة في بيئة معينة هو تدفقالجسيمات المؤينة ، ونسبة التدفق إلى المنطقة كثافة التدفق.تحت كثافة الإشعاع ،أو كثافة التدفق

الجدول 2.1. كميات الإشعاع الأساسية ووحداتها

الطاقة ، فهم نسبة تدفق الطاقة إلى مساحة الجسم. تعتمد شدة الإشعاع على كثافة تدفق الجسيمات. الى جانب نقل الطاقة الخطي (LET) ،توصيف متوسط \u200b\u200bفقد الطاقة للجسيمات (الفوتونات) ، وتحديد الخطي كثافة التأين (LPI) ،عدد أزواج الأيونات لكل وحدة طول مسار (مسار) جسيم أو فوتون.

يعتمد تكوين مجال الجرعة على نوع ومصدر الإشعاع. عند تكوين حقل جرعة بإشعاع الفوتون ، يؤخذ في الاعتبار أن شدة إشعاع الفوتون من مصدر نقطي تتناقص في الوسط بالتناسب العكسي مع مربع المسافة إلى المصدر. في تخطيط قياس الجرعات ، يتم استخدام مفهوم متوسط \u200b\u200bطاقة التأين ، والذي يتضمن طاقة التأين المباشر وطاقة إثارة الذرات ، مما يؤدي إلى إشعاع ثانوي ، مما يؤدي أيضًا إلى التأين. بالنسبة لإشعاع الفوتون ، فإن متوسط \u200b\u200bطاقة التأين يساوي متوسط \u200b\u200bطاقة التأين للإلكترونات الصادرة عن الفوتونات.

توزيع جرعة شعاع γ غير متساوٍ. قسم جرعة 100٪ له عرض صغير نسبيًا ، ثم تنخفض القيمة النسبية للجرعة على طول المنحنى بشكل حاد إلى حد ما. يتم تحديد حجم مجال الإشعاع بعرض 50٪ من الجرعة. عندما يتم تشكيل مجال جرعة bremsstrahlung ، هناك انخفاض حاد في الجرعة عند حدود المجال ، يتم تحديده من خلال الحجم الصغير للنقطة البؤرية. يؤدي هذا إلى حقيقة أن عرض isodose 100٪ قريب من عرض isodose 50٪ ، والذي يحدد قيمة قياس الجرعات لحجم مجال التشعيع. وهكذا ، في تكوين توزيع الجرعة أثناء التشعيع بحزمة إشعاع ، هناك مزايا على حزمة إشعاع γ ، حيث يتم تقليل جرعات الإشعاع للأعضاء والأنسجة السليمة بالقرب من التركيز المرضي (الجدول 2.2).

الجدول 2.2. عمق 100٪ و 80٪ و 50٪ متماثل في الطاقات الإشعاعية الأكثر استخدامًا

ملحوظة. المسافة بين سطح المصدر لجهاز العلاج بالأشعة السينية - 50 سم ؛ علاج جاما - 80 سم ؛ معجلات خطية - 100 سم.

من جدول البيانات. 2.2 يمكن ملاحظة أن الإشعاع الميجافولتى ، على عكس الأشعة السينية ذات الجهد العمودي ، له جرعة قصوى ليست على سطح الجلد ؛ ويزداد عمقها مع زيادة طاقة الإشعاع (الشكل 13). بعد أن تصل الإلكترونات إلى أقصى حد لها ، يتم ملاحظة انحدار حاد للجرعة ، مما يجعل من الممكن تقليل حمل الجرعة على الأنسجة السليمة الأساسية.

تتميز البروتونات بغياب تشتت الإشعاع في الجسم ، وإمكانية إبطاء الشعاع عند عمق معين. في هذه الحالة ، مع عمق الاختراق ، تزداد كثافة الطاقة الخطية (LET) ، ويزداد حجم الجرعة الممتصة ، لتصل إلى الحد الأقصى في نهاية مسار الجسيمات ،

الشكل: 13.توزيع الطاقة أنواع مختلفة الإشعاع في شبح مكافئ للأنسجة: 1 - العلاج بالأشعة السينية بتركيز قريب 40 كيلو فولت والعلاج بالأشعة السينية العميق 200 كيلو فولت ؛ 2 - مع علاج جاما 1.25 ميجا فولت ؛ 3 - مع bremsstrahlung من 25 MeV ؛ 4 - تحت التشعيع بالإلكترونات السريعة 17 ميجا فولت ؛ 5 - عند التشعيع بـ 190 ميجا إلكترون فولت ؛ 6- تحت التشعيع بالنيوترونات البطيئة 100 ك.ف.

الشكل 14.قمة براج

الشكل: خمسة عشر.توزيع جرعات إشعاع جاما من حقلين متقابلين مفتوحين

ما يسمى بقمة براغ ، حيث يمكن أن تكون الجرعة أكبر بكثير منها عند مدخل الحزمة ، مع انحدار حاد للجرعة خلف موجة ذروة براج إلى ما يقرب من 0 (الشكل 14).

في كثير من الأحيان ، أثناء التشعيع ، يتم استخدام الحقول المتقابلة المتوازية (الشكل 15 ، انظر الشكل 16 في إدراج اللون). مع وجود موقع مركزي نسبيًا للتركيز ، تكون الجرعة من كل حقل هي نفسها عادةً ؛ إذا كانت المنطقة المستهدفة غير مركزية ، يتم تغيير نسبة الجرعة لصالح المجال الأقرب للورم ، على سبيل المثال ، 2: 1 ، 3: 1 ، إلخ.

في الحالات التي يتم فيها تسليم الجرعة من حقلين غير متوازيين ، فكلما كانت الزاوية بين محاورهم المركزية أصغر ، يتم إجراء محاذاة أكبر للجرعة باستخدام cli

تسمح مرشحات novidny بتجانس توزيع الجرعة (انظر الشكل 17 على إدراج اللون). لعلاج الأورام العميقة ، تُستخدم عادةً تقنيات التشعيع ذات المجالات الثلاثة والأربعة (الشكل 18).

على مسرع الإلكترون الخطي ، يتم تشكيل مجال إشعاع مستطيل بحجم أو آخر باستخدام دبابيس معدنية

الشكل: 18.توزيع جرعة أشعة جاما من ثلاثة مجالات

المحددات المدمجة في الجهاز. يتم تحقيق تشكيل شعاع إضافي باستخدام مزيج من هذه الموازاة والكتل الخاصة (مجموعة من كتل الرصاص أو كتل سبائك الخشب ذات الأشكال والأحجام المختلفة) المرفقة بـ LEA بعد الموازاة. تغطي الكتل أجزاء من الحقل المستطيل خارج الحجم المستهدف وتحمي الأنسجة خارج الهدف ، وبالتالي تشكل مجالات ذات تكوين معقد.

توفر أحدث المسرعات الخطية التحكم في موضع وحركة الموازاة متعددة الأوراق المكونة للحقل. الموازاة النموذجية متعددة الفصوص لها 20 إلى 80 فصًا أو أكثر مرتبة في أزواج. يتيح التحكم الحاسوبي في موضع عدد كبير من البتلات الضيقة والملائمة بإحكام إمكانية إنشاء مجال بالشكل المطلوب. من خلال ضبط البتلات في الموضع المطلوب ، يتم الحصول على حقل يتطابق بشكل وثيق مع شكل الورم. يتم ضبط الحقل عن طريق التغييرات في ملف الكمبيوتر الذي يحتوي على إعدادات البتلات.

عند التخطيط لجرعة ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الجرعة القصوى (95-107٪) يجب أن تصل إلى الحجم المستهدف المخطط له ، بينما يتلقى ≥ 95٪ من هذا الحجم ≥ 95٪ من الجرعة المخططة. شرط أساسي آخر هو أن 5٪ فقط من حجم الأعضاء المعرضة للخطر يمكن أن تتلقى 60٪ من الجرعة المخططة.

عادة ، تحتوي المسرعات الخطية على مقياس جرعات ، يتم تضمين كاشفه في الجهاز لتشكيل الحزمة الأولية لإشعاع bremsstrahlung ، أي يتم مراقبة جرعة الإشعاع المقدمة. غالبًا ما يتم معايرة جهاز قياس الجرعة إلى نقطة مرجعية للجرعة عند عمق الحد الأقصى للتأين.

توفير قياس الجرعات للعلاج بالبيت داخل التجويف مع المصادر نشاط عاليمصممة للتكوين الفردي لتوزيعات الجرعات مع مراعاة التوطين وطول الورم الأساسي والأبعاد الخطية للتجويف. عند التخطيط ، يمكن استخدام البيانات المحسوبة في شكل أطلس لتوزيعات جرعة متساوية متعددة الأسطح المطبقة على الأجهزة العلاجية داخل التجويفات ، وكذلك بيانات أنظمة التخطيط للأجهزة داخل التجاويف القائمة على أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

يسمح وجود نظام تخطيط حاسوبي للعلاج بالتماس بالتحليل السريري وقياس الجرعات لكل حالة محددة مع اختيار توزيع الجرعة الذي يتوافق تمامًا مع شكل وطول التركيز الأساسي ، مما يجعل من الممكن تقليل شدة التعرض للإشعاع للأعضاء المحيطة.

قبل استخدام مصادر الإشعاع للعلاج الإشعاعي بالتماس ، يتم إجراء الشهادة الأولية لقياس الجرعات ، والتي تستخدم فيها مقاييس الجرعات السريرية ومجموعات الأشباح المكافئة للأنسجة.

بالنسبة للقياسات الوهمية لمجالات الجرعة ، يتم استخدام مقاييس الجرعات السريرية مع غرف التأين صغيرة الحجم أو غيرها من أجهزة الكشف (أشباه الموصلات ، اللمعان الحراري) ، والمحللات

مجال الجرعة أو تصوير متساوي. تستخدم أجهزة الكشف عن اللمعان الحراري (TLD) أيضًا لمراقبة الجرعات الممتصة لدى المرضى.

أجهزة قياس الجرعات.يمكن استخدام أجهزة قياس الجرعات لقياس جرعات نوع واحد من الإشعاع أو الإشعاع المختلط. تقيس أجهزة قياس الإشعاع نشاط أو تركيز المواد المشعة.

يتم امتصاص الطاقة الإشعاعية في كاشف جهاز قياس الجرعات مما يؤدي إلى ظهور تأثيرات إشعاعية يتم قياس حجمها بمساعدة أجهزة القياس. فيما يتعلق بأجهزة القياس ، فإن الكاشف هو مستشعر إشارة. يتم تسجيل قراءات جهاز قياس الجرعات بواسطة جهاز الإخراج (مقاييس الاتصال ، والمسجلات ، والعدادات الكهروميكانيكية ، وأجهزة الإشارات الصوتية أو الضوئية ، وما إلى ذلك).

وفقًا لطريقة التشغيل ، يتم التمييز بين أجهزة قياس الجرعات الثابتة والمحمولة (يمكن حملها فقط عند إيقاف التشغيل) والأجهزة القابلة للارتداء. يُطلق على جهاز قياس الجرعة لقياس جرعة الإشعاع التي يتلقاها كل شخص في المنطقة المشععة مقياس الجرعات الفردي.

اعتمادًا على نوع الكاشف ، يتم التمييز بين مقاييس جرعات التأين ، والتلألؤ ، والإنارة ، وأشباه الموصلات ، والمقاييس الضوئية ، إلخ.

غرفة التأينهو جهاز للبحث وتسجيل الجسيمات النووية والإشعاع. يعتمد عملها على قدرة الجسيمات المشحونة بسرعة على إحداث تأين للغاز. غرفة التأين عبارة عن مكثف كهربائي للهواء أو الغاز ، يتم تطبيق فرق الجهد على الأقطاب الكهربائية فيه. عندما تدخل الجسيمات المؤينة إلى الفراغ بين الأقطاب الكهربائية ، تتشكل الإلكترونات وأيونات الغاز هناك ، والتي تتحرك في مجال كهربائي ، ويتم تجميعها على الأقطاب الكهربائية ويتم تسجيلها بواسطة جهاز التسجيل. تميز تيارو دفعةغرف التأين. في غرف التأين الحالية ، يقيس الجلفانومتر التيار المتولد عن الإلكترونات والأيونات. توفر غرف التأين الحالية معلومات عن العدد الإجمالي للأيونات المتكونة خلال 1 ثانية. تستخدم عادة لقياس شدة الإشعاع وقياسات الجرعات.

في غرف التأين النبضي ، يتم تسجيل وقياس نبضات الجهد ، والتي تنشأ عند المقاومة عندما يتدفق تيار التأين خلالها ، بسبب مرور كل جسيم.

في غرف التأين لدراسة إشعاع ، يحدث التأين بسبب إلكترونات ثانوية خرجت من ذرات الغاز أو جدران غرف التأين. كلما زاد حجم غرف التأين ، زاد عدد الأيونات التي تتشكل بواسطة الإلكترونات الثانوية ؛ لذلك ، تُستخدم غرف التأين كبيرة الحجم لقياس الإشعاع منخفض الكثافة.

يمكن أيضًا استخدام غرفة التأين لقياس النيوترونات. في هذه الحالة ، يحدث التأين بسبب نواة الارتداد (عادةً ما تكون

لنا) ، التي تم إنشاؤها بواسطة النيوترونات السريعة ، أو جسيمات ألفا ، أو البروتونات ، أو الكميات الناتجة عن التقاط النيوترونات البطيئة بواسطة النوى 10 ب ، 3 He ، 113 Cd. يتم إدخال هذه المواد في الغاز أو جدران غرف التأين.

في غرف التأين ، يتم اختيار تركيبة الغاز ومادة الجدران بحيث يتم توفير نفس امتصاص الطاقة (لكل وحدة كتلة) في الغرفة وفي الأنسجة البيولوجية في ظل ظروف إشعاع متطابقة. في أجهزة قياس الجرعات لقياس جرعات التعرض ، تمتلئ الغرف بالهواء. مثال على مقياس جرعات التأين هو MRM-2 micro-roentgenmeter ، والذي يوفر نطاق قياس من 0.01 إلى 30 μR / s للإشعاع مع طاقات الفوتون من 25 keV إلى 3 MeV. يتم حساب القراءات باستخدام مقياس الطلب.

في وميضفي أجهزة قياس الجرعات ، يتم تحويل ومضات الضوء التي تنشأ في جهاز التلألؤ تحت تأثير الإشعاع بواسطة أنبوب مضاعف ضوئي إلى إشارات كهربائية ، يتم تسجيلها بعد ذلك بواسطة جهاز قياس. غالبًا ما تستخدم مقاييس جرعات التلألؤ في قياس جرعات الحماية من الإشعاع.

في الانارةتستخدم أجهزة قياس الجرعات حقيقة أن الفوسفور قادر على تجميع طاقة الإشعاع الممتصة ومن ثم إطلاقها عن طريق اللمعان تحت تأثير الإثارة الإضافية ، والتي تتم إما عن طريق تسخين الفوسفور أو عن طريق تشعيعه. تتناسب شدة وميض ضوء اللمعان ، المقاس باستخدام أجهزة خاصة ، مع جرعة الإشعاع. اعتمادًا على آلية اللمعان وطريقة الإثارة الإضافية ، يتم التمييز بين توهج حراري (TLD)و مقاييس الجرعات الإشعاعية.تتمثل إحدى ميزات مقاييس الجرعات الفلورية في القدرة على تخزين المعلومات حول الجرعة.

كانت هناك مرحلة أخرى في تطوير مقاييس جرعات الإنارة وهي أجهزة قياس الجرعات المعتمدة على الانبعاث الحراري الإلكتروني. عند تسخين بعض الفوسفورات ، التي سبق أن تعرضت للإشعاع المؤين ، تطير الإلكترونات (الإلكترونات الخارجية) من سطحها. يتناسب عددها مع جرعة الإشعاع في مادة الفوسفور. تُستخدم مقاييس الجرعات المتوهجة بالحرارة على نطاق واسع في قياس الجرعات السريرية لقياس الجرعة للمريض وفي تجويف الجسم وأيضًا كمقاييس جرعات شخصية.

أشباه الموصلات(بلوري) مقاييس الجرعات تغير الموصلية حسب معدل الجرعة. يتم استخدامها على نطاق واسع مع مقاييس جرعات التأين.

في روسيا ، توجد خدمة قياس إشعاعي تقوم بالتحقق من مقاييس الجرعات السريرية وشهادة قياس الجرعات لأجهزة الإشعاع.

في مرحلة تخطيط قياس الجرعات ، مع مراعاة بيانات الخريطة الطوبومترية والمهمة السريرية ، يقوم المهندس الفيزيائي بتقييم توزيع الجرعة. يتم رسم توزيع الجرعة التي تم الحصول عليها في شكل مجموعة من السواحل (متساوي الجرعات) على خريطة طوبومترية ، وهي تعمل على تحديد معلمات الإشعاع مثل حجم مجال الإشعاع ، وموقع نقطة التمركز لمحاور حزم الإشعاع واتجاهاتهم.

يتم تحديد الجرعة الممتصة ، وإجمالي الجرعة الممتصة ، وحساب وقت التعرض. الوثيقة عبارة عن بروتوكول يحتوي على جميع معلمات تشعيع مريض معين في الوحدة العلاجية المختارة.

عند إجراء المعالجة الكثبية ، يتم استخدام الجهاز جنبًا إلى جنب مع معدات الموجات فوق الصوتية المقابلة ، مما يجعل من الممكن تقييم موضع المصادر وتوزيع جرعة متساوية في العضو في نظام الوقت الفعلي بفضل نظام التخطيط. خيار آخر هو إدخال مصادر في الورم تحت سيطرة التصوير المقطعي.

يتم تشكيل حزمة إشعاع بالشكل المطلوب والأبعاد المحددة باستخدام الحجاب الحاجز القابل للتعديل ، وجهاز الموازاة ، وكتل الحماية القياسية والفردية القابلة للاستبدال ، والمرشحات والبلعات التعويضية على شكل إسفين. إنها تجعل من الممكن الحد من مساحة ومجال التشعيع ، لزيادة تدرج الجرعة عند حدودها ، لموازنة توزيع جرعة الإشعاع المؤين داخل الحقل أو ، على العكس من ذلك ، لتوزيعها مع عدم الانتظام اللازم ، لإنشاء مناطق وحقول ، بما في ذلك مجعد ومتعدد الروابط (مع مناطق محمية داخلية).

من أجل الاستنساخ الصحيح والتحكم في برنامج التشعيع الفردي للمريض ، يتم استخدام أجهزة التصوير الشعاعي والمركزية الميكانيكية والبصرية والليزر والمثبتات القياسية والفردية لشل حركة المريض أثناء التشعيع ، وكذلك الأشعة السينية وغيرها من وسائل التنظير الداخلي. وهي مدمجة جزئيًا في رأس الإشعاع وطاولة المريض وأجزاء أخرى من الجهاز. يتم تركيب أجهزة الليزر المركزية على جدران غرفة العلاج. يتم وضع مناظير الأشعة السينية بالقرب من الحزمة العلاجية على أرضية أو حامل في السقف مع مثبتات لضبط الوضع المطلوب للمريض.

في هذا الفصل سوف نلقي نظرة على الخصائص الرئيسية للإشعاع المؤين المستخدم في الطب ونناقش عمليات تفاعلها مع المادة.

أنواع الإشعاع المؤين

لنبدأ بتحديد بعض المفاهيم.

إشعاع ألفا - الإشعاع الجسيمي ، الذي يتكون من جسيمات أ (4 نوى) المنبعثة أثناء التحلل الإشعاعي للنواة أو أثناء التفاعلات النووية.إشعاع الإبادة - إشعاع الفوتون الناتج عن فناء جسيم وجسيم مضاد (على سبيل المثال ، في تفاعل إلكترون p و /? + -positron).

إشعاع بيتا - الإشعاع الجسيمي مع طيف طاقة مستمر ، يتكون من إلكترونات سالبة الشحنة (جسيمات p) أو بوزيترونات موجبة الشحنة (جزيئات p *) وينشأ عن الانحلال الإشعاعي للنواة أو الجسيمات الأولية غير المستقرة. يتميز بحدود (الحد الأقصى) للطاقة للإلكترونات (البوزيترونات).أشعة غاما - إشعاع الفوتون الناتج عن التحولات النووية أو إبادة الجسيمات (تتراوح الطاقة من عشرات keV إلى عدة MeV).

إشعاع مؤين "(إشعاع) - نوع من الإشعاع يغير الحالة الفيزيائية للذرات أو النوى الذرية ، ويحولها إلى أيونات مشحونة كهربائيًا أو نواتج تفاعلات نووية (لا يُصنف الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية على أنها إشعاع مؤين).

إشعاع عضلي - الإشعاع المؤين ، ويتكون من جسيمات كتلتها غير الصفر(أ-،جسيمات فاي ، نيوترونات ، إلخ).

الإشعاع المؤين غير المباشر - الإشعاع المؤين ، الذي يتكون من جسيمات غير مشحونة يمكن أن تخلق إشعاعات مؤينة بشكل مباشر و / أو تسبب تحولات نووية (بشكل غير مباشر ، يمكن أن يتكون الإشعاع المؤين من نيوترونات وفوتونات وما إلى ذلك).

إشعاع النيوترون - تدفق النيوترونات ، الذي يحول طاقتها إلى تفاعلات مرنة وغير مرنة مع نوى الذرة.

إشعاع البروتون - الإشعاع المتولد أثناء التحلل التلقائي للنواة الذرية التي تعاني من نقص النيوترونات أو كحزمة عند خروج معجل أيون (على سبيل المثال ، سنكروفازوترون).

الأشعة السينية - إشعاع الفوتون ، الذي يتكون من أشعة الشمس و (أو) الإشعاع المميز ، المتولدة ، على سبيل المثال ، عن طريق أنابيب الأشعة السينية. تحتل المنطقة الطيفية بين أشعة جاما والأشعة فوق البنفسجية ضمن نطاق الطول الموجي mz + 10o نانومتر (10 ، 2 + 10-5 سم). نطاق الطاقة هو YO eV-th ، 1 MeV. أشعة سينية بطول موجة أقل من 0.2 نانومتر (E\u003e 50keV) تسمى صلبة ، بطول موجة يزيد عن حوالي 2 نانومتر (E.

السنكروترون (أو الكبح المغناطيسي)إشعاع - الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الجسيمات المشحونة التي تتحرك على طول مسارات منحنية بواسطة مجال مغناطيسي بسرعات نسبية.إشعاع الكبح - يتميز الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من جسيم مشحون أثناء تشتت (تباطؤ) في مجال كهربائي بطيف طاقة مستمر. في بعض الأحيان ، يتضمن مفهوم bremsstrahlung أيضًا إشعاع الجسيمات النسبية المشحونة التي تتحرك في الحقول المغناطيسية العيانية (الإشعاع السنكروتروني).

إشعاع الفوتون - الإشعاع الكهرومغناطيسي المؤين بشكل غير مباشر الذي يحدث عندما تتغير حالة طاقة النوى الذرية أو عندما يتم إبادة الجسيمات.

الإشعاع المميز - إشعاع الفوتون مع طيف طاقة منفصل ، ينشأ عن تغيير في حالة طاقة إلكترونات الذرة.

التبويب. 1. خواص بعض أنواع الإشعاع الجسيمي.

يشمل الإشعاع المؤين فوتونات الإشعاع الكهرومغناطيسي (الأشعة y والأشعة السينية ذات الطول الموجي أقل من 20 نانومتر) والإشعاع الجسدي. الإشعاع الفوتوني مع طاقات من 50 فولت إلى 500 فولت يسمى إشعاع الأشعة السينية ، وعند الطاقات الأعلى - إشعاع جاما. يمكن أن يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي المؤين عبارة عن إشعاع مصاحب لانحلال p أو ناشئ عن إبادة البوزيترونات ، أو يمكن أن يكون إشعاعًا بالأشعة السينية أو إشعاعًا مميزًا.

الاشعاع الكهرومغناطيسي - اضطراب في المجال الكهرومغناطيسي المنتشر في الفضاء (أي المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تتفاعل مع بعضها البعض).

الإشعاع الكهرومغناطيسي هو مزيج من المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تتغير جيبيًا في المكان والزمان. سرعة الموجة ، و [م / ث] ، يرتبط بطول الموجة L [م] وتردد الاهتزاز ، v: و-L-v ، ومنذ ذلك الحين و عادة ما تكون ثابتة ، ثم v \u003d c / A ، c \u003d 3-th 8 m / s - سرعة الضوء.

طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي (eV):

أين ح \u003d6.626-10-34 Js \u003d 4.13510.5 eVs.

للإشعاع الكهرومغناطيسي طيف واسع من الطاقات ومصادر مختلفة: إشعاع y للنواة الذرية و bremsstrahlung للإلكترونات المتسارعة ، موجات الراديو ، إلخ (الجدول 1 ، الشكل L). على مقياس الموجات الكهرومغناطيسية ، حدود إشعاع y على الأشعة السينية الصلبة ، وتحتل منطقة الترددات الأعلى. يحدث أثناء تحلل النوى المشعة والجسيمات الأولية ، وتفاعل الجسيمات المشحونة بسرعة مع المادة ، وفناء أزواج الإلكترون والبوزيترون ، إلخ. لإشعاع جاما طول موجي قصير (ليو نانومتر) وخصائص جسمية واضحة ، أي يتصرف مثل تيار من الجسيمات (y-quanta ، أو الفوتونات) بالطاقة / iv.

في الطب ، يستخدم bremsstrahlung على نطاق واسع ، والذي يحدث عندما تمر الإلكترونات المتسارعة عبر وسيط. اعتمادًا على طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي الناشئ ، يُشار إليه باسم إشعاع الأشعة السينية (طاقات عشرات ومئات keV) أو إشعاع y (طاقات وحدة أو عشرات من MeV ، ولكن عند المعجلات تصل طاقاتها إلى عدة عشرات من GeV) عادة ما يتم الحصول على الأشعة السينية باستخدام أنابيب الأشعة السينية.

تتناسب شدة الشعاع مع مربع تسارع الجسيم المشحون. بما أن التسارع يتناسب عكسياً مع كتلة الجسيم ، ففي نفس المجال تكون قوة إشعاع الإلكترون أقوى بملايين المرات من إشعاع البروتون. لذلك ، غالبًا ما يتم استخدام إشعاع bremsstrahlung ، والذي يحدث عندما تنتشر الإلكترونات في المجال الكهروستاتيكي للنواة والإلكترونات الذرية.

الشكل: 1.

إن طيف فوتونات بريمستراهلونغ مستمر ويتم قطعه بأقصى طاقة ممكنة تساوي الطاقة الأولية للإلكترون. نظرًا لأن شدة bremsstrahlung تتناسب مع Z 2 ، فإن الأهداف المصنوعة من مواد ذات Z كبيرة تستخدم لزيادة ناتج فوتونات bremsstrahlung في الحزم الإلكترونية.

يشمل الإشعاع المؤين في الجسد العضلي إشعاع أ ، وإلكترون ، وبروتون ، ونيوترون ، وإشعاع ميزون. الإشعاع الجسيمي ، الذي يتكون من تيار من الجسيمات المشحونة (أ- ، (3 جسيمات ، بروتونات ، إلكترونات) ، طاقته الحركية كافية لتأين الذرات عند الاصطدام بها ، ينتمي إلى فئة الإشعاع المؤين المباشر. لا تؤين النيوترونات نفسها ، ولكن في هذه العملية تؤدي التفاعلات مع البيئة إلى إطلاق جزيئات مشحونة (إلكترونات ، بروتونات) قادرة على تأين ذرات وجزيئات الوسط الذي تمر من خلاله ، ويشار إلى الإشعاع النيوتروني على أنه إشعاع مؤين بشكل غير مباشر.

تختلف النيوترونات اختلافًا كبيرًا في طاقاتها. لخصائص الطاقة للإشعاع النيوتروني ، يتم استخدام مفهوم الطيف النيوتروني. تصنف النيوترونات حسب سرعة الحركة:

• - نيوترونات نسبية ذات طاقات تزيد عن 10 إلكترون فولت ؛
• - نيوترونات سريعة ، طاقات أعلى من o.i MeV (أحيانًا أكثر من i MeV)
• - نيوترونات بطيئة - نيوترونات ذات طاقات أقل من 10 كيلو فولت. أو حسب "درجة الحرارة":
• - النيوترونات فوق الترابية ، ذات طاقات من 0.025 إلى 1 فولت ؛
• - نيوترونات ساخنة ، بطاقة حوالي 0.2 إلكترون فولت ؛
• - نيوترونات حرارية ، بطاقة حوالي 0.025 إلكترون فولت ؛
• - نيوترونات باردة ، ذات طاقات من 510-5 فولت إلى 0.025 فولت ؛
• - نيوترونات شديدة البرودة بطاقة 2 * 10-؟ - 5 * 10-5 فولت ؛
• - نيوترونات فائقة البرودة ، بطاقة أقل من 2 * 10-؟ فولت.

تفاعل النيوترونات مع الذرات ضعيف ، مما يسمح للنيوترونات بالتغلغل بعمق في المادة.

عادةً ما يكون الإشعاع الإلكتروني عبارة عن حزمة إلكترونية عند مخرج مسرع الإلكترون. ويتميز بمتوسط \u200b\u200bطاقة الإشعاع والتشتت (الانتشار) وكذلك عرض الحزمة. من خلال تدابير خاصة ، من الممكن الحصول على حزمة ضيقة أحادية الطاقة من الإلكترونات عالية الطاقة.

يصاحب إشعاع بيتا النوع الأكثر شيوعًا من التحلل الإشعاعي للنواة - تسوس ف. نظرًا لأن سرعة جسيمات p أعلى بكثير من سرعة جسيمات a ، فإنها نادرًا ما تتفاعل مع ذرات الوسط ؛ كثافة التأين لكل مسار وحدة أقل بمئات المرات من كثافة جسيمات a ، ويصل المسار في الهواء إلى 10 أمتار ، وفي الأنسجة الرخوة البيولوجية ، يكون المسار 10+12 مم. يتم امتصاص هذا الإشعاع بواسطة طبقة من الألومنيوم بسماكة 1 مم. على عكس إشعاع الإلكترون ، يترافق الإشعاع p مع تدفق مضاد النيترينو للإلكترونات والنيوترينوات للبوزيترونات. يصاحب إشعاع البوزيترون أيضًا إشعاع γ فناء (مع طاقات تبلغ 0.51 و / أو 1.02 MeV).

تشتمل الأشعة تحت الحمراء الضوئية على الإشعاع من المواد المشعة ، والإشعاع المميز والإشعاع المتولد عن المسرعات المختلفة. يعد LPI لإشعاع الفوتون هو الأدنى (1-2 زوج من الأيونات لكل 1 سم 3 من الهواء) ، مما يحدد قدرته العالية على الاختراق (في الهواء ، يبلغ طول المسار عدة مئات من الأمتار).

-إشعاع ينشأ من الاضمحلال الإشعاعي. يصاحب انتقال النواة من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية انبعاث كمية بطاقات من 10 كيلو إلكترون فولت إلى 5 إلكترون فولت. المصادر العلاجية الرئيسية لإشعاع بيتا هي أجهزة بيتا (البنادق).

الكبح بالأشعة السينية ينشأ بسبب التسارع والتباطؤ الحاد للإلكترونات في أنظمة التفريغ لمختلف المسرعات ويختلف عن الأشعة السينية في الطاقة الأعلى للكميات (من واحد إلى عشرات MeV).

عندما يمر تدفق الفوتونات عبر المادة ، فإنه يضعف نتيجة لعمليات التفاعل التالية (يعتمد نوع تفاعل الفوتونات مع ذرات المادة على طاقة الفوتونات):

كلاسيكي (متماسك أو تشتت طومسون) - للفوتونات ذات الطاقات من 10 إلى 50-100 كيلو فولت. التردد النسبي لهذا التأثير منخفض. يحدث تفاعل لا يلعب دورًا مهمًا ، حيث إن الكم الساقط ، بعد اصطدامه بإلكترون ، ينحرف ، ولا تتغير طاقته.

امتصاص كهروضوئي (تأثير كهروضوئي) - عند طاقات منخفضة نسبيًا - من 50 إلى 300 كيلو فولت (يلعب دورًا أساسيًا في العلاج بالأشعة السينية). يقوم الكم الساقط بإخراج الإلكترون المداري من الذرة ، ويتم امتصاصه هو نفسه ، والإلكترون ، الذي يغير اتجاهه قليلاً ، يطير بعيدًا. يسمى هذا الإلكترون المنفلت بإلكترون ضوئي. وهكذا ، فإن طاقة الفوتون تنفق على وظيفة عمل الإلكترون وعلى إعطائه طاقة حركية.

تأثير كومبتون (تشتت غير متماسك) - ينشأ عند طاقات الفوتون من 120 كيلو إلكترون فولت إلى 20 إلكترون فولت (أي عمليا النطاق الكامل للعلاج الإشعاعي). يزيل الكم الهابط الإلكترون من الغلاف الخارجي للذرة ، وينقل جزءًا من الطاقة إليه ، ويغير اتجاهه. يطير الإلكترون خارج الذرة بزاوية معينة ، ويختلف الكم الجديد عن الكم الأصلي ليس فقط بطريقة مختلفة اتجاه الحركة، ولكن أيضًا بطاقة أقل. سوف يؤين الكم الناتج الوسط بشكل غير مباشر ، وسوف يتأين الإلكترون بشكل مباشر.

تشكيل أزواج الإلكترون والبوزيترون - يجب أن تكون طاقة الكم أكبر من 1.02 ميجا فولت (ضعف طاقة راحة الإلكترون). يجب أخذ هذه الآلية في الاعتبار عند تعريض المريض للإشعاع بحزمة عالية الطاقة ، أي في مسرعات خطية عالية الطاقة. بالقرب من النواة الذرية ، يخضع الكم الساقط للتسارع ويختفي ، ويتحول إلى إلكترون وبوزيترون. يتحد البوزيترون بسرعة مع الإلكترون القادم ، وتحدث عملية الإبادة (الإبادة المتبادلة) ، وبدلاً من ذلك يظهر فوتونان ، طاقة كل منهما نصف طاقة الفوتون الأصلي. وهكذا ، يتم تحويل طاقة الكم الأولي إلى الطاقة الحركية للإلكترون وإلى طاقة إشعاع الإبادة.

صورة امتصاص نووي - يجب أن تكون طاقة الكميات أكثر من 2.5 ميغا إلكترون فولت. يتم امتصاص الفوتون بواسطة نواة الذرة ، ونتيجة لذلك تنتقل النواة إلى حالة الإثارة ويمكن أن تتخلى عن الإلكترون أو تنهار. وهكذا ، يتم الحصول على النيوترونات.

نتيجة للعمليات المذكورة أعلاه لتفاعل إشعاع الفوتون مع المادة ، يظهر الفوتون الثانوي والإشعاع الجسدي (الإلكترونات والبوزيترونات). قدرة الجزيئات المؤينة أكبر بكثير من قدرة إشعاع الفوتون.

يحدث التوهين المكاني لشعاع الفوتون وفقًا للقانون الأسي (قانون التربيع العكسي): كثافة الإشعاع تتناسب عكسياً مع مربع المسافة إلى مصدر الإشعاع.

وجد الإشعاع في نطاق الطاقة من 200 keV إلى 15 MeV أوسع تطبيق في علاج الأورام الخبيثة. تسمح قوة الاختراق العالية بنقل الطاقة إلى الأورام العميقة. في الوقت نفسه ، يتم تقليل الحمل الإشعاعي على الجلد والأنسجة تحت الجلد بشكل حاد ، مما يجعل من الممكن إحضار الجرعة المطلوبة إلى الآفة دون حدوث ضرر إشعاعي لهذه المناطق من الجسم (على عكس الأشعة السينية الناعمة). مع زيادة طاقة الفوتون فوق 15 ميغا إلكترون فولت ، يزداد خطر تلف الأنسجة بالإشعاع عند الخروج من الحزمة.

الإشعاع المؤين هو مزيج من أنواع مختلفة من الجسيمات الدقيقة والمجالات الفيزيائية التي لديها القدرة على تأين المادة ، أي تكوين جسيمات مشحونة كهربائيًا فيها - أيونات.

القسم الثالث. إدارة سلامة الحياة والآليات الاقتصادية لدعمها

هناك عدة أنواع من الإشعاع المؤين: إشعاع ألفا وبيتا وإشعاع جاما والإشعاع النيوتروني.

إشعاع ألفا

في تكوين جسيمات ألفا موجبة الشحنة ، يشارك بروتونان و 2 نيوترون ، وهما جزء من نوى الهيليوم. تتشكل جسيمات ألفا أثناء تحلل نواة الذرة ويمكن أن يكون لها طاقة حركية أولية من 1.8 إلى 15 ميجا فولت. السمات المميزة لإشعاع ألفا هي قوى تأين عالية وقوى اختراق منخفضة. عندما تتحرك جسيمات ألفا بسرعة كبيرة ، فإنها تفقد طاقتها ، وهذا يؤدي إلى حقيقة أنه لا يكفي حتى التغلب على الأسطح البلاستيكية الرقيقة. بشكل عام ، التعرض الخارجي لجزيئات ألفا ، إذا كنت لا تأخذ في الاعتبار جسيمات ألفا عالية الطاقة التي تم الحصول عليها بمساعدة معجل ، لا يسبب أي ضرر للإنسان ، ولكن تغلغل الجزيئات في الجسم يمكن أن يكون خطيرًا على الصحة ، لأن النويدات المشعة ألفا لها عمر نصفي طويل ولها تأين قوي. بمجرد تناولها ، يمكن أن تكون جسيمات ألفا في كثير من الأحيان أكثر خطورة من إشعاع بيتا وجاما.

إشعاع بيتا

تتشكل جسيمات بيتا المشحونة ، التي تقترب سرعتها من سرعة الضوء ، نتيجة لاضمحلال بيتا. أشعة بيتا أكثر اختراقًا من أشعة ألفا - يمكن أن تسبب تفاعلات كيميائية، اللمعان ، الغازات المؤينة ، لها تأثير على لوحات التصوير. كحماية ضد تدفق جسيمات بيتا المشحونة (بطاقة لا تزيد عن 1 إلكترون فولت) ، يكفي استخدام لوح ألومنيوم عادي بسمك 3-5 مم.

الأشعة الضوئية: أشعة جاما والأشعة السينية

يشتمل إشعاع الفوتون على نوعين من الإشعاع: الأشعة السينية (يمكن أن تكون إشعاعية ومميزة) وأشعة جاما.

النوع الأكثر شيوعًا من إشعاع الفوتون هو الطاقة العالية جدًا عند جسيمات جاما ذات الطول الموجي شديد القصر ، وهي عبارة عن تيار من الفوتونات عالية الطاقة غير المشحونة. على عكس أشعة ألفا وبيتا ، فإن جسيمات جاما لا تنحرف عن طريق المجالات المغناطيسية والكهربائية ولها قوة اختراق أعلى بكثير. بكميات معينة ولمدة معينة من التعرض ، يمكن أن تسبب أشعة جاما مرض الإشعاع وتؤدي إلى الإصابة بأمراض الأورام المختلفة. فقط من هذا القبيل الثقيلة العناصر الكيميائيةمثل الرصاص واليورانيوم المستنفد والتنغستن.

إشعاع النيوترون

يمكن أن تكون التفجيرات النووية والمفاعلات النووية والمنشآت المختبرية والصناعية مصدرًا للإشعاع النيوتروني.

النيوترونات نفسها محايدة كهربائياً ، وغير مستقرة (يبلغ عمر النصف للنيوترون الحر حوالي 10 دقائق) ، وهي جسيمات تتميز بقدرة اختراق عالية مع درجة ضعيفة من التفاعل مع المادة بسبب حقيقة عدم وجود شحنة لها. يعتبر إشعاع النيوترون خطيرًا جدًا ؛ لذلك ، يتم استخدام عدد من المواد الخاصة التي تحتوي على الهيدروجين بشكل أساسي للحماية منه. أفضل ما في الأمر هو أن الإشعاع النيوتروني يتم امتصاصه بواسطة الماء العادي والبولي إيثيلين والبارافين وكذلك محاليل هيدروكسيدات المعادن الثقيلة.

كيف يؤثر الإشعاع المؤين على المواد؟

جميع أنواع الإشعاع المؤين بدرجة أو بأخرى لها تأثير على مواد مختلفة ، لكنها أكثر وضوحًا في جسيمات جاما والنيوترونات. لذلك ، مع التعرض المطول ، يمكنهم تغيير خصائص المواد المختلفة بشكل كبير التركيب الكيميائي المواد العازلة المؤينة ولها تأثير مدمر على الأنسجة البيولوجية. لن يتسبب إشعاع الخلفية الطبيعي في أي ضرر خاص لشخص ما ، ومع ذلك ، عند التعامل مع المصادر الاصطناعية للإشعاع المؤين ، يجب أن يكون المرء حذرًا للغاية وأن يتخذ جميع التدابير اللازمة لتقليل مستوى التعرض للإشعاع على الجسم.

أنواع الإشعاعات المؤينة وخصائصها

يُطلق على الإشعاع المؤين تدفقات الجسيمات والكميات الكهرومغناطيسية ، ونتيجة لذلك تتشكل أيونات مشحونة مختلفة على الوسط.

تترافق أنواع مختلفة من الإشعاع مع إطلاق كمية معينة من الطاقة ولها قدرة اختراق مختلفة ، لذلك يكون لها تأثير مختلف على الجسم. يتمثل الخطر الأكبر على البشر في الإشعاع المشع ، مثل الإشعاع y ، والأشعة السينية ، والنيوترون ، والإشعاع a و b.

الأشعة السينية وأشعة y هي تدفقات من الطاقة الكمومية. أشعة جاما لها أطوال موجية أقصر من الأشعة السينية. بحكم طبيعتها وخصائصها ، تختلف هذه الإشعاعات قليلاً عن بعضها البعض ، فهي تتمتع بقدرة اختراق عالية ، واستقامة انتشار ، والقدرة على إنشاء إشعاع ثانوي ومتناثر في الوسائط التي تمر من خلالها. ومع ذلك ، بينما يتم إنتاج الأشعة السينية عادةً باستخدام جهاز إلكتروني ، تنبعث أشعة y من نظائر غير مستقرة أو مشعة.

أنواع أخرى من الإشعاعات المؤينة هي جزيئات المادة سريعة الحركة (الذرة) ، وبعضها يحمل شحنة كهربائية ، والبعض الآخر لا يحمل شحنة كهربائية.

النيوترونات هي الجسيمات الوحيدة غير المشحونة التي تنتج في أي تحول إشعاعي ، مع كتلة تساوي كتلة البروتون. نظرًا لأن هذه الجسيمات محايدة كهربائيًا ، فإنها تخترق بعمق أي مادة ، بما في ذلك الأنسجة الحية. النيوترونات هي الجسيمات الأساسية التي تتكون منها نوى الذرات.

عند المرور عبر المادة ، يتفاعلون فقط مع نوى الذرات ، وينقلون جزءًا من طاقتهم إليهم ، وهم أنفسهم يغيرون اتجاه حركتهم. نوى الذرات "تنبثق" من غلاف الإلكترون ، وتمريرها عبر المادة تنتج التأين.

الإلكترونات عبارة عن جسيمات خفيفة سالبة الشحنة توجد في جميع الذرات المستقرة. غالبًا ما تستخدم الإلكترونات أثناء التحلل الإشعاعي للمادة ، ثم يطلق عليها جسيمات p. يمكن أيضًا الحصول عليها في ظروف معملية. يتم إنفاق الطاقة التي تفقدها الإلكترونات عند مرورها عبر مادة ما على الإثارة والتأين ، وكذلك على تكوين أشعة الشمس.

جسيمات ألفا هي نوى ذرات الهليوم ، خالية من الإلكترونات المدارية وتتكون من بروتونين ونيوترونين مرتبطين ببعضهما البعض. لديهم شحنة موجبة ، ثقيلة نسبيًا ، لأنها تمر عبر مادة ، فإنها تؤين مادة عالية الكثافة.

عادةً ما تنبعث جسيمات أ أثناء التحلل الإشعاعي للعناصر الثقيلة الطبيعية (الراديوم ، الثوريوم ، اليورانيوم ، البولونيوم ، إلخ).

تتفاعل الجسيمات المشحونة (الإلكترونات ونواة ذرات الهيليوم) ، التي تمر عبر المادة ، مع إلكترونات الذرات ، وتفقد 35 و 34 فولتًا على التوالي. في هذه الحالة ، يتم إنفاق نصف الطاقة على التأين (فصل الإلكترون عن الذرة) ، والآخر على إثارة الذرات وجزيئات الوسط (نقل الإلكترون إلى غلاف أبعد من النواة).

عدد الذرات المتأينة والمتحركة المكونة من جسيم أ لكل وحدة طول مسار في وسط أكبر بمئات المرات من عدد جسيم ف (الجدول 5.1).

الجدول 5.1. تشغيل جسيمات أ و ب ذات طاقات مختلفة في الأنسجة العضلية

طاقة الجسيمات ، MeV	الأميال ، ميكرومتر	طاقة الجسيمات ، MeV	الأميال ، ميكرومتر	طاقة الجسيمات ، MeV	الأميال ، ميكرومتر
	—

هذا يرجع إلى حقيقة أن كتلة الجسيم a أكبر بحوالي 7000 مرة من كتلة الجسيم B ، وبالتالي ، عند نفس الطاقة ، تكون سرعتها أقل بكثير من سرعة الجسيم B.

تبلغ سرعة جسيمات A المنبعثة أثناء الاضمحلال الإشعاعي حوالي 20 ألف كم / ث ، بينما سرعة جسيمات ب قريبة من سرعة الضوء وتبلغ 200 ... 270 ألف كم / ث. من الواضح أنه كلما انخفضت سرعة الجسيم ، زادت احتمالية تفاعله مع ذرات الوسط ، وبالتالي زاد فقد الطاقة لكل مسار وحدة في الوسط ، مما يعني أن النطاق أصغر. من الجدول. 5.1 ويترتب على ذلك أن نطاق جسيمات أ في الأنسجة العضلية هو 1000 مرة أقل من نطاق جسيمات ب لنفس الطاقة.

عندما يمر الإشعاع المؤين عبر الكائنات الحية ، فإنه ينقل طاقته إلى الأنسجة والخلايا البيولوجية بشكل غير متساو. نتيجة لذلك ، على الرغم من قلة الطاقة التي تمتصها الأنسجة ، فإن بعض خلايا المادة الحية ستتضرر بشكل كبير. يتم عرض التأثير الكلي للإشعاع المؤين المترجمة في الخلايا والأنسجة في الجدول. 5.2.

الجدول 5.2. التأثير البيولوجي للإشعاع المؤين

طبيعة التأثير	مراحل التعرض		تأثير تأثير
العمل المباشر للإشعاع		10-24 ... 10 -4 ثانية 10 16 ... 10 8 ثانية	امتصاص الطاقة. التفاعلات الأولية. الأشعة السينية والإشعاع y ، النيوترونات ، البروتونات ، جسيمات أ
		10-12 ... 10-8 ثانية	المرحلة الفيزيائية والكيميائية. نقل الطاقة في شكل تأين على طول المسار الأولي. الجزيئات المؤينة والمتحركة إلكترونيًا
		10 7 ... 10 5 ثوانٍ ، عدة ساعات	الضرر الكيميائي. مع عملي. العمل غير المباشر. الجذور الحرة من الماء. إثارة الجزيء للتوازن الحراري
العمل غير المباشر للإشعاع		نانو ثانية ، ثوان ، دقائق ، ساعات	الضرر الجزيئي الحيوي. التغييرات في جزيئات البروتين والأحماض النووية تحت تأثير عمليات التمثيل الغذائي
		دقائق ، ساعات ، أسابيع	التأثيرات البيولوجية والفسيولوجية المبكرة. الضرر البيوكيميائي. موت الخلية ، موت الحيوانات الفردية
		سنوات وقرون	آثار بيولوجية طويلة الأمد خلل وظيفي مستمر. إشعاعات أيونية الطفرات الجينية ، آثارها على النسل. التأثيرات الجسدية: السرطان ، اللوكيميا ، انخفاض العمر المتوقع ، موت الجسم

يمكن أن تستند التغيرات الكيميائية الإشعاعية الأولية في الجزيئات إلى آليتين: 1) العمل المباشر ، عندما يخضع جزيء معين لتغييرات (التأين ، الإثارة) مباشرة في التفاعل مع الإشعاع ؛ 2) الفعل غير المباشر ، عندما لا يمتص الجزيء طاقة الإشعاع المؤين مباشرة ، بل يستقبلها بنقلها من جزيء آخر.

من المعروف أنه في الأنسجة البيولوجية 60 ... 70٪ من الكتلة عبارة عن ماء. لذلك ، دعونا ننظر في الاختلاف بين الآثار المباشرة وغير المباشرة للإشعاع باستخدام مثال تشعيع الماء.

لنفترض أن جزيء الماء يتأين بواسطة جسيم مشحون ، ونتيجة لذلك يفقد إلكترونًا:

H2O -\u003e H20 + e -.

يتفاعل جزيء الماء المتأين مع جزيء ماء محايد آخر ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء هيدروكسيل عالي التفاعل OH ":

H2O + H2O -\u003e H3O + + OH *.

ينقل الإلكترون الممزق أيضًا الطاقة بسرعة كبيرة إلى جزيئات الماء المحيطة ، وينشأ جزيء الماء H2O * شديد الإثارة ، والذي ينفصل ليشكل جذرين ، H * و OH *:

H2O + e- -\u003e H2O * H '+ OH'.

تحتوي الجذور الحرة على إلكترونات غير متزاوجة وتكون شديدة التفاعل. عمرهم في الماء لا يزيد عن 10-5 ثوانٍ. خلال هذا الوقت ، إما أن يتحدوا مع بعضهم البعض أو يتفاعلون مع الركيزة الذائبة.

في وجود الأكسجين المذاب في الماء ، يتم أيضًا تكوين منتجات التحلل الإشعاعي الأخرى: الجذور الحرة من هيدروبيروكسيد HO2 ، بيروكسيد الهيدروجين H2O2 والأكسجين الذري:

H * + O2 -\u003e HO2 ؛
HO * 2 + HO2 -\u003e H2O2 +20.

في خلية الكائن الحي ، يكون الوضع أكثر تعقيدًا بكثير مما هو عليه في حالة تشعيع الماء ، خاصةً إذا كانت المادة الماصة كبيرة وجزيئات بيولوجية متعددة المكونات. في هذه الحالة ، يتم تشكيل الجذور العضوية D * ، والتي تتميز أيضًا بفاعلية عالية للغاية. مع كمية كبيرة من الطاقة ، يمكنهم بسهولة كسر الروابط الكيميائية. تحدث هذه العملية غالبًا في الفترة الفاصلة بين تكوين أزواج الأيونات وتكوين المنتجات الكيميائية النهائية.

الى جانب ذلك ، العمل البيولوجي تضخيمه بتأثير الأكسجين. المنتج شديد التفاعل DО2 * (D * + О2 -\u003e DО2 *) الذي يتكون نتيجة تفاعل الجذور الحرة مع الأكسجين يؤدي أيضًا إلى تكوين جزيئات جديدة في النظام المشع.

تدخل الجذور الحرة وجزيئات الأكسدة الناتجة عن عملية التحلل الإشعاعي للماء ، والتي تمتلك نشاطًا كيميائيًا عاليًا ، في تفاعلات كيميائية مع جزيئات البروتين والإنزيمات والعناصر الهيكلية الأخرى للأنسجة البيولوجية ، مما يؤدي إلى تغيير في العمليات البيولوجية في الجسم. نتيجة لذلك ، تتعطل عمليات التمثيل الغذائي ، ويتم قمع نشاط أنظمة الإنزيم ، ويتباطأ نمو الأنسجة ويتوقف ، مركبات كيميائيةليس من سمات الجسم - السموم. هذا يؤدي إلى تعطيل الوظائف الحيوية للأنظمة الفردية أو الكائن الحي ككل.

التفاعلات الكيميائية التي تحدثها الجذور الحرة تتضمن عدة مئات وآلاف من الجزيئات في هذه العملية التي لا تتأثر بالإشعاع. هذه هي خصوصية عمل الإشعاع المؤين على الأجسام البيولوجية. لا يوجد نوع آخر من الطاقة (حرارية ، كهربائية ، إلخ) يمتص بواسطة جسم بيولوجي بنفس المقدار يؤدي إلى مثل هذه التغييرات التي تسببها الإشعاعات المؤينة.

تنقسم التأثيرات الإشعاعية غير المرغوب فيها للتعرض للإشعاع على جسم الإنسان تقليديًا إلى جسدي (سوما - "جسم" في اليونانية) وجيني (وراثي).

تظهر التأثيرات الجسدية مباشرة في الشخص المعرض نفسه ، والآثار الجينية في نسله.

على مدى العقود الماضية ، تم إنشاء عدد كبير من النويدات المشعة الاصطناعية من قبل الإنسان ، والتي يعد استخدامها عبئًا إضافيًا على خلفية الإشعاع الطبيعي للأرض ويزيد من جرعة الإشعاع للناس. لكن الإشعاع المؤين ، الذي يهدف حصريًا إلى الاستخدام للأغراض السلمية ، مفيد للبشر ، ومن الصعب اليوم الإشارة إلى مجال المعرفة أو الاقتصاد الوطني الذي لا يستخدم النويدات المشعة أو مصادر الإشعاع المؤين الأخرى. مع بداية القرن الحادي والعشرين ، وجدت "الذرة المسالمة" تطبيقاتها في الطب والصناعة والزراعة وعلم الأحياء الدقيقة والطاقة واستكشاف الفضاء ومجالات أخرى.

أنواع الإشعاع وتفاعل الإشعاع المؤين مع المادة

أصبح استخدام الطاقة النووية ضرورة حيوية لوجود الحضارة الحديثة ، وفي الوقت نفسه ، مسؤولية كبيرة ، حيث من الضروري استخدام مصدر الطاقة هذا بأكبر قدر ممكن من العقلانية والعناية.

ميزة مفيدة للنويدات المشعة

بسبب الاضمحلال الإشعاعي ، تعطي النويدات المشعة "إشارة" ، وبالتالي تحدد موقعها. باستخدام أجهزة خاصة تسجل الإشارة من تحلل الذرات المفردة ، تعلم العلماء استخدام هذه المواد كمؤشرات للمساعدة في التحقيق في مجموعة متنوعة من العمليات الكيميائية والبيولوجية التي تحدث في الأنسجة والخلايا.

أنواع المصادر التكنولوجية للإشعاع المؤين

يمكن تقسيم جميع مصادر الإشعاع المؤين من صنع الإنسان إلى نوعين.

• طبي - يستخدم لتشخيص الأمراض (على سبيل المثال ، أجهزة الأشعة السينية وأجهزة التصوير الفلوري) وتنفيذ إجراءات العلاج الإشعاعي (على سبيل المثال ، وحدات العلاج الإشعاعي لعلاج السرطان). أيضًا ، تشمل المصادر الطبية للذكاء الاصطناعي الأدوية المشعة (النظائر المشعة أو مركباتها التي تحتوي على مواد مختلفة غير عضوية أو المواد العضوية) ، والتي يمكن استخدامها لتشخيص الأمراض وعلاجها.
• النويدات المشعة الصناعية - من صنع الإنسان والمولدات:
  • في هندسة الطاقة (مفاعلات محطات الطاقة النووية) ؛
  • في الزراعة (لتربية ودراسة فعالية الأسمدة)
  • في مجال الدفاع (وقود السفن النووية) ؛
  • في البناء (الاختبار غير المتلف للهياكل المعدنية).

وفقًا لبيانات ثابتة ، بلغ حجم إنتاج منتجات النويدات المشعة في السوق العالمية في عام 2011 12 مليار دولار أمريكي ، وبحلول عام 2030 من المتوقع أن يزيد هذا الرقم ستة أضعاف.