Нанодозиметрия

В настоящий момент в микродозиметрии принято считать, что за высокую концентрацию энергии ответственны флуктуации ионизации, то есть рои ионов, и вероятность эффекта непосредственно зависит от ЛПЭ. Однако есть и другая точка зрения. Замедляясь, электроны наиболее реактивны при их энергиях в несколько сотен электронвольт, когда образуются короткие треки и d-электроны, а также оже-электроны (напомним, что их энергия точно определена и близка к потенциалу К-оболочки). Та же или большая энергия передается атомным ядрам отдачи, радиационный эффект от которых проявляется, например, в виде окрашивания кристаллов KCl (Durup, Platzmann [70]). Так или иначе отсюда возникают поправки, возможно не малые, и это особенно очевидно для всей области низких ЛПЭ, где обычная теория просто приравнивает коэффициенты ОБЭ к единице. Однако их значения могут доходить до 2 и выше. При больших ЛПЭ эта поправка может уменьшиться, так как вклад обычных ионизаций возрастает из-за перекрытия ионных «шпор». Эти вопросы, глубоко разработанные в 60-х и 70-х годах в русских публикациях (ИТЭФ, ФИАН [48-50]), в последнее время вновь стали обсуждаться зарубежными авторами [76-78].

Можно усложнить счетчик Росси, и, применяя двухкамерную конструкцию, удается даже разделить два процесса: ионизацию среды и газовое усиление. В однокамерном варианте были получены спектры событий в чувствительных объемах размером от 0,1 до 10 мкм, а двухкамерный счетчик Буза позволяет довести этот предел до 500 Ǻ. Заметим, что 1 Ǻ = 10^{-8 см =} 0,1 нм. Поэтому в последнее время речь все чаще заходит о «нанодозиметрах».

Приборы, уже послужившие нам для иллюстрации механизма образования треков – камера Вильсона и пузырьковая камера, дают повод поразмышлять, не являются ли они по существу нанодозиметрами? Ведь процессы, на которых основано их действие, постоянно наблюдаются в природе. Дождь не выпадет, пока в «абсолютно чистой» туче не возникнет центра, инициирующего конденсацию паров, которым может оказаться всего лишь одна частица космического излучения, прошедшая через микроскопический объем с размером порядка тех же ангстремов (Ǻ). Как происходит взрыв парового котла, также вполне известно. Таким образом, широко обсуждающийся радиобиологией энергетический парадокс работает в полную силу и в неживой природе.

Нанодозиметры действительно создаются. Примером является «капле-пузырьковый детектор» [71], в котором капелька геля помещается в другую, но тоже гелевую среду. Эта капля приводится в метастабильное состояние, в котором она готова испариться, но это происходит лишь при наличии некоторого количества ионов. Авторы прибора утверждают, что количество центров капельного испарения соответствует эквивалентной или биологической дозе (это зависит от режима работы прибора). Подобных публикаций насчитывается уже довольно много, но, по-видимому, серьезные разработки в этой области только начинаются [44].

В этих приближениях не рассматриваются эффекты, происходящие на внутренних оболочках атома. Для микродозиметрии и нанодозиметрии хорошей моделью для изучения процессов служит пузырьковая камера. Дональд Глезер (нобелевский лауреат) изобрел в 1953 году пузырьковую камеру [73], а 1956 году в ИТЭФ впервые в мире были поставлены эксперименты [48].

В этих экспериментах были получены зависимости числа пузырьков на единицу длины пробега (ионизационных потерь – как бы отображающие ЛПЭ) от скорости частиц (рис. 2.1). Экспериментальная зависимость не соответствовала ожидаемым значениям по формуле Бете-Блоха для ионизационных потерь.

Рис. 2.1. Зависимость ионизационных потерь от скорости частиц. Наблюдаемый релятивистский рост ионизационных потерь при скорости частицы близкой к скорости света (пузырьковая камера).

На графике по оси х отложена скорость частиц, а по у – плотность пузырьков (треков) g/g₀. Кривая 1 соответствует экспериментальным значениям (протон, дейтрон, π-мезон, электрон). Кривая 2 – отношение, моделирующее ОБЭ. Кривая 3 – значения ОБЭ по измерениям Барендсена [74].

Д. Глезер одновременно с ИТЭФ установил [48, 73], что низкоэнергетическая часть – это свободные d-электроны (ход кривой описывается зависимостью ~ 1/ Е). Однако в ИТЭФ был обнаружен релятивистский рост (12 + 6%), наблюдавшийся в жидкостях, несмотря на то, что ЛПЭ возрастает только в газовых средах. При скорости частицы близкой к скорости света ионизационные потери испытывают релятивистское возрастание, которое наблюдается в газообразной среде, т.к. электрическое поле частицы деформируется из-за релятивистского сжатия масштаба времени. В жидких и твердых средах релятивистское возрастание подавляется благодаря «эффекту плотности», который был установлен Э. Ферми [66]. При релятивистских скоростях частиц параметры удара превышают межатомные расстояния, и частица одновременно взаимодействует со многими атомами среды. Поляризация атомов ослабляет поле частицы, что и приводит к эффекту плотности. Ионизация внутренних оболочек атома связана с меньшими параметрами соударения и поэтому гораздо меньше подвержена поляризации среды, чем ионизация внешних оболочек.

Если энергия выше граничной, то наблюдается эффект на внутренних оболочках атома. Релятивистский рост ЛПЭ доказывает такое взаимодействие с внутренними оболочками. Дальнейшее исследование этого механизма подтверждает процесс испускания d-электрона (не свободного) плюс оже-электрона (после перестройки атомной оболочки).

Принцип метастабильности пузырьковой камеры как раз может быть использован для нанодозиметров. Показания такого «пузырькового детектора» связаны с радиационными воздействиями нужного диапазона передачи энергии, так как для создания пузырька нужен локальный перегрев в несколько сотен эВ в зоне радиусом 10^-5 - 10^{-7 см. Поэтому вскипание можно рассматривать как подобное биологическому повреждению, а отношение его эффективного сечения к ЛПЭ есть относительная эффективность процесса, который можно рассматривать в качестве физической модели ОБЭ.}

Экспериментально были показаны значения релятивистского роста передачи энергии в жидкостях. Для жидкого пропана ожидаемым значением было возрастание на 2,5%, однако на опыте получали возрастание до 19% (Блинов, Крестников, Ломанов 1956 г. – 12 + 5%, Vrana 1961 г. – 19 + 6 %, Ермилова и др. 1969 г. – 12,6 + 2,3%, Володко и др. 1968 г. – 12,7 + 4,0%). Для жидких фторовых смесей ожидаемым значением было 3-5%, а в эксперименте наблюдалось возрастание до 32% (Hugentobler и др. 1963 г. – C3F8– 16 + 5%, Hahn и др. 1963 г. – SF6– 16 + 5%, Hoffman и др. 1965 г. – CBrF3– 32+5%). Подробный обзор и перечень ссылок на эти работы опубликован группой ФИАН [77].

Эффекты на внутренних атомных оболочках (метод Монте - Карло). Эффект релятивистского роста существует только благодаря испусканию δ-электрона и оже-электрона. Это исследование «ушло в историю», и микродозиметрия не рассматривала эти процессы. Сейчас заново появился интерес к оже-электронам и эффектам на внутренних оболочках: первый код Монте-Карло ТРИОН A. Лаппа [75] (Томск, 1984) учитывает это. Имеются данные и по наблюдениям химических эффектов, связанных с образованием радикалов в водных средах [60].

Уже есть ряд работ, многие из которых выполнены Институтом Хиросимы в Японии H. Nikjoo, D.T. Goodhead, D. Brenner и др. (1983, 1988, 1999) [76, 79-80], где принимается во внимание двухцепочечные разрывы ДНК как мишени ~ 3 нм, разрушенные ионным пучком, и,например, δ-электроны с энергией > 100 эВ, включая оже-электроны. При расчетах по методу Монте-Карло, по данным, приведенным N. Tilly [78], в спектре энергетических потерь отчетливо виден пик на 500 эВ (~ Ik - 2 Iav). Если в указанных работах утверждается, что эффект от оже-электронов не велик, то следует принять во внимание, что соответствующий расчет был проделан для протонов с энергией 2 МэВ, которые даже в лобовом соударение с атомным электроном могут передать им энергию не больше 1000 эВ и вероятность ионизации К-оболочки кислорода с потенциалом ионизации 540 эВ в этом случае крайне мала, но эта ионизация с образованием оже-электрона с К-оболочки по данным [76-80] все же происходит.