Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом (физическая стадия)

Основная часть энергии заряженных частиц и гамма-квантов, взаимо­действующих с веществом, идёт на его ионизацию и возбуждение. Под ио­низацией понимают отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы. Если энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона, то происходит возбуждение, т.е. переход электрона на удалённую от ядра орбиталь. За­ряженные частицы (альфа, бета) производят ионизацию непосредственно (прямо ионизирующие). Электрически нейтральное излучение (гамма, рент­геновское, нейтронное) ионизирует атомы среды в результате вторичных процессов (косвенно ионизирующие).

Степень ионизации зависит от свойств излучения (энергия, заряд частиц) и от структуры облучаемого объекта и характеризуется некоторы­ми параметрами.

Линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - число пар ио­нов, образованных заряженной частицей на единице длины пути в вещест­ве.

Линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заря­женной частицей на единице длины её пути в веществе. За единицу изме­рения принимают килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм). Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но ис­пользуется значение вторичных заряженных частиц, образующихся в ве­ществе.

В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на редко- и плотноио­низирующие (пограничная величина 10 кэВ/мкм). Редкоионизирующие (< 10 кэВ/мкм) - бета, гамма, рентгеновское. Плотноионизирующие (> 10 кэВ/мкм) - альфа, нейтронное.

ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэто­му в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.

Теперь рассмотрим особенности взаимодействия с веществом различных видов излучений.

1. Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, об­разуя несколько десятков тысяч пар ионов на единицу пробега в вещест­ве.По мере продвижения в веществе вначале плотность ионизации воз­растает в несколько раз (с 20 000 до 80 000 пар ионов на 1 см пути) и затем, практически при завершении пробега, резко падает (кривая Брэг­га). Эту особенность взаимодействия используют при лечении опухолей, т.к.она позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине поражённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях. Траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны. Пробег в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях - 10-100 мкм. Несмотря на небольшую глубину проникновения альфа-частиц в живую ткань, их разрушительное действие весьма значительное из-за высокой ионизирующей способности.

2. Бета-частицы обладают меньшей ионизирующей способностью по сравнению с альфа-частицами, образуют несколько десятков пар ионов на 1 см пути. Кроме ионизации, за счёт торможения электронов в веществе (особенно с большим Z) возникает тормозное рентгеновское излучение. Из-за малой массы бета-частицы при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, поэтому траектория их очень извилиста. Проникающая способность бета-частиц в воздухе измеряется метрами, в биологической ткани составляет несколько сантиметров.

3. Гамма-излучение - одно из наиболее проникающих. Его проникаю­щая способность зависит от энергии гамма-квантов и от свойств вещест­ва.Ослабление гамма-излучения в веществе происходит за счёт различных эффектов взаимодействия: фотоэффект, эффект Комптона, образование пар электрон-позитрон.

При фотоэффекте вся энергия гамма-кванта передаётся электрону оболочки, при этом электрон вырывается из атома и производит в даль­нейшем ионизацию.Место выбитого электрона займёт другой электрон с верхней оболочки, что сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения.Фотоэффект наиболее характерен при поглощении мягкого гамма-излучения (до 0,5 Мэв) тяжёлыми элементами.

При эффекте Комптона гамма-квант передаёт часть своей энергии ор­битальному электрону, выбивая его, и превращается в другой квант с меньшей энергией.Выбитый электрон производит в дальнейшем ионизацию.В дальнейшем вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона и т.д.Этот эффект наиболее вероятен при энергии гамма-квантов 0,5-1 МэВ.

Образование пары электрон-позитрон возможно только при значительной энергии гамма-кванта (>1 МэВ).Такой квант взаимодействует с атом­ным ядром и в его поле преобразуется в пару частиц - электрон и позит­рон.Эти частицы производят в дальнейшем ионизацию.Позитрон, встречая на своём пути электрон, соединяется с ним и превращается в 2 фотона (аннигиляция).Образующиеся фотоны поглощаются средой в результате эф­фекта Комптона или фотоэффекта.

4. Нейтроны не имеют заряда, поэтому беспрепятственно проникают

внутрь атомов, взаимодействуя непосредственно с ядрами. При этом воз­можны следующие эффекты: рассеяние (упругое и неупругое) и поглощение (радиационный захват).

При упругом рассеянии нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления. Ядро, с которым взаимо­действует нейтрон (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизирует дру­гие атомы и молекулы. Такой эффект наиболее характерен для быстрых нейтронов. Самый важный пример упругого рассеяния - рассеяние на ядрах водорода (протонах). При этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии, образуется протон отдачи. Поэтому для замедления быст­рых нейтронов используют вещества, содержащие водород (вода, парафин).

При неупругом рассеянии часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое переходит в основное состоя­ние, излучая гамма-квант.

Нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват). При этом ядро переходит в возбуждённое состояние и испускает гамма-квант или частицы (протон, нейтрон, альфа-частицу). В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными (наведенная актив­ность). этот эффект наиболее характерен для медленных нейтронов. Луч­шими поглотителями являются кадмий и бор.