Ионизирующие излучения

Ионизирующие излучения

потоки фотонов, а также заряженных или нейтральных частиц, взаимодействие которых с веществом среды приводит к его ионизации. Ионизация играет важную роль в развитии радиационно-индуцированных эффектов, особенно в живой ткани. Средний расход энергии на образование одной пары ионов сравнительно мало зависит от вида И. и., что позволяет судить по степени ионизации вещества о переданной ему энергии И. и. Для регистрации и анализа И. и. инструментальными методами также используют ионизацию.

Источники И. и. делят на естественные (природные) и искусственные. Естественными источниками И. и. являются космос и распространенные в природе радиоактивные вещества (радионуклиды). В космосе формируется и достигает Земли космическое излучение — корпускулярные потоки ионизирующего излучения. Первичное космическое излучение состоит из заряженных частиц и фотонов, отличающихся высокой энергией. В атмосфере Земли первичное космическое излучение частично поглощается и инициирует ядерные реакции, в результате которых образуются радиоактивные атомы, сами испускающие И. и., поэтому космическое излучение у поверхности Земли отличается от первичного космического излучения. Различают три основных вида космического излучения: галактическое космическое излучение, солнечное космическое излучение и радиационные пояса Земли. Галактическое космическое излучение является наиболее высокоэнергетической составляющей корпускулярного потока в межпланетном пространстве и представляет собой ядра химических элементов (преимущественно водорода и гелия), ускоренных до высоких энергий; по своей проникающей способности этот вид космического излучения превосходит все виды И. и., кроме нейтрино. Для полного поглощения галактического космического излучения потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м. Солнечное космическое излучение представляет собой высокоэнергетическую часть корпускулярного излучения Солнца и возникает при хромосферных вспышках днем. В период интенсивных солнечных вспышек плотность потока солнечного космического излучения может в тысячи раз превысить обычный уровень плотности потока галактического космического излучения. Солнечное космическое излучение состоит из протонов, ядер гелия и более тяжелых ядер. Солнечные протоны высоких энергий представляют наибольшую опасность для человека в условиях космического полета (см. Космическая биология и медицина). Радиационные пояса Земли сформировались в околоземном пространстве за счет первичного космического излучения и частичного захвата его заряженной компоненты магнитным полем Земли. Радиационные пояса Земли состоят из заряженных частиц: электронов — в электронном поясе и протонов — в протонном. В радиационных поясах устанавливается поле И. и. повышенной интенсивности, что учитывают при запуске пилотируемых космических кораблей.

Природные, или естественные, радионуклиды имеют различное происхождение; часть из них принадлежит к радиоактивным семействам, родоначальники которых (уран, торий) входят в состав пород, слагающих нашу планету, с периода ее образования; некоторая часть естественных радионуклидов является продуктом активации стабильных изотопов космическим излучением. Отличительным свойством радионуклидов является радиоактивность, т.е. самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер, приводящее к изменению их атомного номера и (или) массового числа. Скорость радиоактивного распада, характеризующая активность радионуклида, равна числу радиоактивных превращений в единицу времени.

В качестве единицы радиоактивности Международной системой единиц (СИ) определен беккерель (Бк); 1 Бк равен одному распаду в секунду. На практике применяется также внесистемная единица активности кюри (Ки); 1 Ки равен 3,7․1010 распадов в секунду, т.е. 3,7․1010 Бк. В результате радиоактивных превращений возникают заряженные и нейтральные частицы, формирующие поле И. и.

По виду частиц, входящих в состав И. и., различают альфа-излучение, бета-излучение, гамма-излучение, рентгеновское излучение, нейтронное излучение, протонное излучение и др. Рентгеновское и гамма-излучение относят к фотонным, или электромагнитным, И. и., а все остальные виды И. и. — к корпускулярным. Фотоны — это «порции» (кванты) электромагнитных излучений. Их энергия выражается в электрон-вольтах. Она в десятки тысяч раз превосходит энергию кванта видимого света.

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, или ядер атомов гелия, несущих положительный заряд, равный двум элементарным единицам заряда. Альфа-частицы относятся к сильно ионизирующим частицам, быстро теряющим свою энергию при взаимодействии с веществом. По этой причине альфа-излучение является слабопроникающим и в медицинской практике используется либо для облучения поверхности тела, либо альфа-излучающий радионуклид вводится непосредственно в патологический очаг при внутритканевой лучевой терапии.

Бета-излучение — поток отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных позитронов, испускаемых при бета-распаде. Бета-частицы относятся к слабоионизирующим частицам; однако по сравнению с альфа-частицами при одинаковой энергии они имеют большую проникающую способность.

Нейтронное излучение — поток электрически нейтральных частиц (нейтронов), которые возникают в некоторых ядерных реакциях при взаимодействии высокоэнергетических элементарных частиц с веществом, а также при делении тяжелых ядер. Нейтроны передают часть своей энергии ядрам атомов вещества среды и инициируют ядерные реакции. В результате в облученном нейтронным потоком веществе возникают заряженные частицы различного вида, ионизирующие вещество среды, могут также образовываться радионуклиды. Свойства нейтронного излучения и характер его взаимодействия с живой тканью определяются энергией нейтронов.

Некоторые виды И. и. возникают в ядерно-энергетических и ядерно-физических установках; ядерных реакторах, ускорителях заряженных частиц, рентгеновских аппаратах, в также созданных с помощью этих средств искусственных радионуклидов.

протонное излучение генерируется в специальных ускорителях. Око представляет собой поток протонов — частиц, несущих единичный положительный заряд и обладающих массой, близкой к массе нейтронов. Протоны относятся к сильно ионизирующим частицам; будучи ускоренными до высоких энергий, они способны сравнительно глубоко проникать в вещество среды. Это позволяет эффективно использовать протонное излучение в дистанционной лучевой терапии (Лучевая терапия).

Электронное излучение генерируется специальными ускорителями электронов (например, бетатронами, линейными ускорителями), если пучок ускоренных электронов выводится наружу. Эти же ускорители могут быть источником тормозного излучения — разновидности фотонного излучения, возникающего при торможении ускоренных электронов в веществе специальной мишени ускорителя. Рентгеновское излучение, используемое в медицинской радиологии, представляет собой также тормозное излучение электронов, ускоренных в рентгеновской трубке.

Гамма-излучение — поток фотонов высоких энергий, испускаемых при распаде радионуклидов; широко применяется при лучевой терапии злокачественных новообразований. Различают направленное и ненаправленное И. и. Если все направления распространения И. и. равноценны, то говорят о изотропном И. и. По характеру распространения во времени И. и. может быть непрерывным и импульсным.

Для описания поля И. и. используют физические величины, определяющие пространственно-временное распределение излучения в веществе среды. Важнейшими характеристиками поля И. и. являются плотность потока частиц и плотность потока энергии. В общем случае плотность потока частиц — это число частиц, проникающих в единицу времени в элементарную сферу, отнесенное к площади поперечного сечения этой сферы. Плотность потока энергии И. и. является синонимом распространенного на практике термина «интенсивность излучения». Она равна плотности потока частиц, умноженной на среднюю энергию одной частицы, и характеризует скорость переноса энергии И. и. Единицей измерений интенсивности И. и. в системе СИ является Дж/м2․с.

Биологическое действие ионизирующих излучении. Под биологическим действием И. и. понимают многообразные реакции, возникающие в облучаемом биологическом объекте, начиная от первичных процессов размена энергии излучения до эффектов, проявляющихся спустя длительное время после радиационного воздействия. Знание механизмов биологического действия И. и. необходимо для экстренного принятия адекватных мер обеспечения радиационной безопасности персонала и населения при авариях на атомных электростанциях и других предприятиях атомной промышленности. Для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата, необходимо достаточно большое количество энергии — 10—15 эВ, называемое потенциалом ионизации. Поскольку частицы и фотоны И. и. обладают энергией от десятков до миллионов эВ, что намного превышает энергию внутри- и межмолекулярных связей молекул и веществ, составляющих любой биологический субстрат, то поражающему радиационному воздействию подвержено все живое.

Максимально упрощенная схема начальных этапов лучевого поражения состоит в следующем. Вслед и по сути одновременно с передачей энергии И. и. атомам и молекулам облученной среды (физический этап биологического действия И. и.) в ней развиваются первичные радиационно-химические процессы, в основе которых лежат два механизма: прямой, когда молекулы вещества испытывают изменения при непосредственном взаимодействии с И. и., и косвенный, при котором изменяемые молекулы непосредственно не поглощают энергию И. и., а получают ее путем передачи от других молекул. В результате этих процессов образуются свободные радикалы и другие высокореакционные продукты, приводящие к изменению жизненно важных макромолекул, а в финале — к конечному биологическому эффекту. В присутствии кислорода радиационно-химические процессы интенсифицируются (кислородный эффект), что при прочих равных обстоятельствах способствует усилению биологического действия И. и. (см. Радиомодификация, Радиомодифицирующие агенты). Следует иметь в виду, что изменения облучаемого субстрата не являются обязательно окончательными и необратимыми. Как правило, конечный результат в каждом конкретном случае не может быть предсказан, т. к наряду с лучевым повреждением может произойти и восстановление исходного состояния.

Воздействие И. и. на живой организм принято называть облучением, хотя это не совсем точно, ибо облучение организма может осуществляться и любым другим видом неионизирующего излучения (видимым светом, инфракрасным, ультрафиолетовым, высокочастотным излучением и др.). Эффективность облучения зависит от фактора времени, под которым понимают распределение дозы ионизирующего излучения (Доза ионизирующего излучения) во времени. Наиболее эффективно однократное острое облучение при высокой мощности дозы И. и. Пролонгированное хроническое или прерывистое (фракционированное) облучение в заданной дозе оказывает меньшее биологическое действие, благодаря процессам пострадиационного восстановления (Пострадиационное восстановление).

Различают внешнее и внутреннее облучение. При внешнем облучении источник И. и. располагается вне организма, а при внутреннем (инкорпорированном) оно осуществляется радионуклидами, попавшими в организм через дыхательную систему, желудочно-кишечный тракт или через поврежденную кожу.

Биологическое действие И. и. в значительной степени зависит от его качества, в основном определяемого линейной передачей энергии (ЛПЭ) — энергией, теряемой частицей на единице длины ее пробега в веществе среды. В зависимости от значения ЛПЭ все И. и. делят на редкоионизирующие (ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ более 10 кэВ/мкм). Воздействие разными видами И. и. в равных поглощенных дозах приводит к разным по величине эффектам. Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которую обычно оценивают сравнением дозы изучаемого И. и., вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного И. и., обусловливающей такой же эффект. Условно можно считать, что ОБЭ зависит только от ЛПЭ и возрастает с увеличением последней.

На каком бы уровне — тканевом, органном, системном или организменном не рассматривалось биологическое действие И. и., его эффект всегда определяется действием И. и. на уровне клетки. Детальное изучение реакций, инициируемых в клетке И. и., составляет предмет фундаментальных исследований радиобиологии (Радиобиология). Следует заметить, что большинство реакций, возбуждаемых И. и., в том числе и такая универсальная реакция, как задержка клеточного деления, является временной, преходящей и не сказывается на жизнеспособности облученной клетки. К реакциям такого типа — обратимым реакциям — относятся также различные нарушения метаболизма, в т.ч. угнетение обмена нуклеиновых кислот и окислительного фосфорилирования, слипание хромосом и др. Обратимость этого типа лучевых реакций объясняется тем, что они являются следствием повреждения части множественных структур, утрата которой очень быстро восполняется или просто остается незамеченной. Отсюда и характерная особенность этих реакций: с увеличением дозы И. и. возрастает не доля реагирующих особей (клеток), а величина, степень реакции (например, продолжительность задержки деления) каждой облученной клетки.

Существенно иную природу имеют эффекты, приводящие облученную клетку к гибели, — летальные лучевые реакции. Под клеточной гибелью в радиобиологии понимают утрату клеткой способности к делению. Напротив, «выжившими» считаются те клетки, которые сохранили способность к размножению (клонированию).

Радиочувствительность ткани пропорциональна ее пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированности составляющих ее клеток. Поэтому наиболее радиочувствительными являются активно пролиферирующие органы и системы — система кроветворения, слизистая оболочка кишечника, яички, кожа. Массовая гибель клеток костного мозга, происходящая при общем облучении организма, приводит к несовместимому с жизнью поражению системы кроветворения. Поэтому костный мозг относят к основным критическим органам (см. Лучевая болезнь).

Существуют две формы летальных реакций, которые гибельны для делящихся и малодифференцированных клеток: интерфазная, при ней клетка погибает вскоре после облучения, во всяком случае до наступления первого митоза, и репродуктивная, когда пораженная клетка гибнет не сразу после воздействия И. и., а в процессе деления. Наиболее распространена репродуктивная форма летальных реакций. Основной причиной гибели клеток при ней являются возникающие под влиянием облучения структурные повреждения хромосом. Эти повреждения легко обнаруживаются при цитологическом исследовании клеток на разных стадиях митоза и имеют вид хромосомных перестроек, или хромосомных аберраций. Из-за неправильного соединения хромосом и просто утраты их концевых фрагментов при делении потомки такой поврежденной клетки несомненно погибнут сразу же после данного деления или в результате двух-трех последующих митозов (в зависимости от значимости утраченного генетического материала для жизнеспособности клетки). Возникновение структурных повреждений хромосом — процесс вероятности, в основном связанный с образованием двойных разрывов в молекуле ДНК, т.е. с нерепарируемыми повреждениями жизненно важных клеточных макромолекул. В связи с этим, в отличие от рассмотренных выше обратимых клеточных реакций, с увеличением дозы И. и. возрастает число (доля) клеток с летальным повреждением генома, строго описываемая для каждого вида клеток в координатах «доза — эффект». В настоящее время разработаны специальные методы выделения клоногенных клеток из различных тканей in vivo и их выращивания in vitro, с помощью чего после построения соответствующих дозовых кривых выживания количественно оценивают радиочувствительность изучаемых органов и возможности ее изменения в нужном направлении. Кроме того, подсчет числа клеток с хромосомными аберрациями на специальных препаратах используют в целях биологической дозиметрии для оценки радиационной обстановки, например на борту космического корабля, а также для определения степени тяжести и прогноза острой лучевой болезни.