Физическое моделирование в микродозиметрии

Глава 6. ОБЭ ТЗЧ, модиф-я кривая Брэгга

Глава 4. Эквидозиметрия

Глава 3. Нанодозиметрия

Глава 5. Нейтроны – 3-я проблема ЛТ

Глава 1. Энергетический парадокс?

Терминология предусмотрела это. В основу всего должен быть поставлен энергетический парадокс [1, 2 – Kudr2008]. Самое исходное понятие, доза, ограничено не только по точности, но и по вложенному в него смыслу! Это типа парадокса бесконечного в математике: действие излучения огромно в малом объёме, но ничтожно в его окружении. Среда может сопротивляться внешнему воздействию, это как бы принцип Ле-Шателье (но не в механическом смысле). Исходя из этого принципа, можно определить понятие действия, когда имеет место энергетический парадокс (наподобие постоянной Планка ħ).

В то время, как ядерная физика совершала глубочайшие открытия законов мироздания, её стремительный прогресс порой оттеснял опирающиеся на неё прикладные исследования на периферию. Вся дозиметрия ионизирующих излучений основана на измерении распределения поглощенной веществом энергии излучения, выражаемой в тепловых эквивалентах. В то же время так называемый энергетический парадокс указывает на глубокое несоответствие между количеством энергии, теряемой в живой ткани ионизирующим излучением, и биологическими последствиями облучения. Будем выражать поглощённую дозу в единицах грей (Гр), соответствующих поглощению энергии частиц 1 Дж в 1 кг как единице массы вещества. Излучение, повреждающее клетки организма, способно нагреть вещество лишь на сотые доли градуса, точнее, для воды это 2.10^-3 К на 1 Гр. Допустим, суммарная доза, вызывающая терапевтический эффект подавления опухоли (канцерицидная доза), составляет 70 Гр. Клиницисты утверждают, что повышение этой дозы всего на 2 Гр вызывает статистически наблюдаемое увеличение количества излеченных больных. Аналогичное утверждение делают биологи: по их наблюдениям такое же увеличение дозы уменьшает количество выживших злокачественных клеток примерно вдвое. Значит, использование поглощённой дозы в качестве меры для точного определения клинической дозы облучения вовсе не парадоксально, Установленная при международных сравнениях методов измерения точность определения поглощенной дозы 4-6% вполне соответствует этим требованиям.

Парадоксально другое. Это существующий разнобой в трактовке многих исходных понятий, если это хоть в малой степени зависит от пресловутого энергетического парадокса. Любое биологическое действие излучения зависит от многих физических, химических и биологических факторов, влияющих на конкретную реакцию, возникающую под действием излучения. Умножение поглощённой дозы на соответствующий модифицирующий фактор позволяет определить биологическую дозу для конкретного эксперимента. Сравнивая действие … ОБЭ.

Далее снова энерг парадокс.

Как правило, после всех вычислений возникает вопрос о физическом или биологическом смысле введенного размера чувствительного микрообъема, но как раз его не удается установить. Хотя речь идет о внутриклеточных радиационных повреждениях или ведущих к ним косвенных эффектах, приписанные им радиусы взаимодействий оказываются слишком велики (порядка микрометров) или даже выходят за пределы ядра клетки.

Согласно известному постулату микродозиметрии (а также нанодозиметрии), принимается, что одинаковая энергия, поглощенная в чувствительных объемах (ЧО) клеток, вызывает одинаковый эффект. Есть и независимый подход. Обычная дозиметрия ничего не предполагает о природе ЧО, и из-за этого определить «биологическую» дозу можно только вводя эмпирический коэффициент ОБЭ. Построив модель зависимости производимого излучением эффекта в пределах ЧО, можно вычислять ОБЭ при разных предположениях о размере и форме чувствительного объема. Нужно кратко остановиться на представлениях, сложившихся в современной микродозиметрии.

Дополнение об энергетическом парадоксе

Постановка вопроса об энергетическом парадоксе вызывает некоторое недоумение в предложенном контексте: почему, например, вопрос о подобном парадоксе не ставился ещё на стадии приближения Ландау, ведь уже там флуктуации могли достигать уровня, сравнимого с самим эффектом ионизации?

Однако парадокс возникает не из-за величины флуктуаций. Мы сравнивали микродозиметрию с молекулярной статистикой, в которой нет понятия давление молекулы газа, а есть только распределение скоростей молекул. Так же в микродозиметрии вместо поглощённой дозы можно говорить только о распределении энергии, поглощённой в микрообъёме. Суть в том, что молекулы имеют собственное распределение скоростей, а давление и температура – совсем другие параметры. Микродозиметрия призвана моделировать биологический ответ на облучение, и в этом смысле её параметры моделирования так же далеки от дозы как таковой.

Остановимся подробнее на способах моделирования. Дессауер считал, что биологическое действие ионизации связано с локальными перегревами среды. Например, ….такая-то энергия разменивается на ст-то ионов. Их общий микрообъём такой-то при объёме… и они нагреются до… За счёт фл-й можно оценить ещё дальше. Подобным образом происходит размен импульса и то же он зависит от гипотезе о микрообъёме. Радиус диффузии радикалов кислорода…Естественное допустимое к-во радикалов известно. Такие оценки позволяют строить гипотезы о размерах микрообъёмов.

Исторически наиболее ранним и до сих пор широко распространенным является ионизационно-импульсный метод микродозиметрии, в котором применяется бесстеночный газоразрядный пропорциональный счетчик. Г. Росси впервые построил первую физическую модель живой клетки – это и есть его прибор [68]. Счетчик Росси заполнен тканеэквивалентным газом с объемом, соответствующим чувствительному объему предполагаемых внутриклеточных структур. Физический процесс в нем тот же, что и в ионизационной камере, однако ионы, ускоренные электрическим полем, дают заранее усиленный сигнал. Масса газа в объеме прибора соответствует моделируемому микрообъему, а эквивалентность газа жидкости обеспечивается выполнением принципа Брэгга-Грея. Разумеется, прибор имеет стенки, но их влияние исключено дополнительным электрическим полем.