Взаимодействие излучения с веществом
1. Взаимодействие заряженных частиц с веществом
а) потери на ионизационном возбудителе;
б) потери на тормозное излучение;
в) потери на излучение Вавилова-Черенкова:
R – глубина или проникновение
для тяжелых частиц
Формула бета-Блока
– идеальные радиационные потери (в единицах заряда ē).
, где V- скорость света в вакууме 2,99*103
he – ρ ē в веществе (электронная плотность)
средняя потенциальная мощность: I=13,5 Эв. Z
Пробеги α-частиц
Энергия α-частиц (МЭв) | ||||
Воздух, см | 2,5 | 4,6 | 7,4 | 10,6 |
Биологическая ткань (мкм) | ||||
Al, мкм |
Пробеги β-частиц
Энергия (МЭв) | 0,05 | 0,5 | |||
воздух | 4,1 | 2*103 | 1,7*104 | 6,3*104 | |
вода | 4,7*10-3 | 0,19 | 2,6 | ||
Al | 2*10-3 | 0,056 | 0,96 | 4,3 | 8,6 |
Pb | 5*10-4 | 0,02 | 0,30 | 1,25 | 2,5 |
Классификация n по E
E | Тип n |
<0,05 эВ | тепловые (5800К) |
0,05эВ-1кэВ | медленные |
>1кэВ | быстрые |
n+He3 → H3 +p+0,76 мэВ
n+N14 → C14 +p+0,63 мэВ
n+Li6 → H3 +α+4,76 мэВ
n+B10 → Li7 +α+2,79 мэВ
|
|
I(x)=I0e-Nσx= e-Σx
σ – полное сечение
- длина свободного пробега нейтрона в веществе.
[σ]=M2
[N]=M-3
Nσ=M-1
Σ=Nσ
Материал | E En=4мэВ | E En=15мэВ |
пресс (????) | 6,3 | 15,2 |
Al | 14,1 | 15,9 |
Pb | 15,0 | 15,5 |
Плотность потока n на S. R от точечного источника.
Защита от n – бетон.
Взаимодействие рентгеновского и??? излучения с веществом
3 процесса.
Взаимодействие с телом и тканью.
h=6,6*10-34 Дж*с
c = 2,99*106 м/с
1. Фотоэффект
ρ – плотность вещества поглотителя.
2. Комптон-эффект (?????)
3. Эффект рождение пар е+, е-
Диаграмма Р. Фейнмана
для Z=5-6
h=3
Комптон-эффект (?????)
Для Z=11-12
h=2,8
Ex>>2moc2 x=βNZ2hγ
I(x)=Ioe-μx
μ=τ+σ+x
Класс | Вид | Облучение (Гр; Рад) | Эффект |
простейшие | амебы | 103; 105 | ДЛ50 |
ракообразные | дафнии | 65; 6500 | ДЛ100 |
рыбы | карась | 13-15; 1300-1500 | ДЛ50/30 |
земноводные | лягушки | 6-7; 600-700 | ДЛ50/30 |
птицы | куры | 6-8; 600-800 | |
млекопитающие | морские свинки | 3-3,5; 300-350 | |
обезьяны | 4,5-5,5; 450-550 | ||
человек | 4-5; 400-500 |
Область применения радиационных технологий | Используемые дозы облучения |
1. Уничтожение патогенов (стафилококки, сальмонеллы. В мясе, рыбе, птице. | 3-4 кГр |
2. Дезинфекция зерновых (убивает насекомых) | 1-2 кГр |
3. Очистка трав, специй и сухих овощей | 1-3 кГр |
4. Для дезинфекции медицинского инструмента | ≈10 рентген |
Облучение любого пищевого продукта в общей дозе до 10 кГр не представляет такой опасности и не несет никаких проблем в отношении пищевой ценности.
10 кГр =10
1Гр=88рентген≈100рентген
Элемент | Заряд Z | % отк по веществу | |
мягкая ткань | кость | ||
Водород | 1 | 10,2 | 6,4 |
Углерод | 6 | 12,3 | 27,8 |
Азот | 7 | 3,5 | 2,7 |
Кислород | 8 | 73 | 41 |
Na, Mg, P, S, Ca – тоже присутствуют, но их менее 1% каждого.
|
|
Ca –в костях ≈14,7%
K и Na только в мягких тканях.
Два процесса лежат в основе биологического действия излучения.
1 процесс – процесс ионизации атомов
2 процесс – процесс возбуждения атомов (под действием излучения).
Количество поглощенной энергии (доза)-мера действия.
Первые 3 фазы – быстрое изменение.
Два – медленная фаза (молекулярных химические изменения переходят в нарушение в клетках →затем нарушение в органах и в организме в целом).
Первая – физическая фаза.
Время пролета через клетку излучения (10-13 – 10-14 с)
Вторая – химико-физическая. Длительность 10-10 с.
Образуются свободные радикалы, которые взаимодействуют с тканью и дают начало вторичным распадам.
Третья – химическая фаза. Длительность 10-6 с. Образовавшиеся радикалы вступают в реакцию с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул. Эти три фазы определяют дальнейшее развитие лучевого поражения.
Четвертая – Биологическая. Химическое изменения преобразуются в клеточные изменения. Ядро клетки наиболее чувствительно к излучению +повреждается ДНК.
В результате облученная клетка либо погибает либо становится неполноценной в функциональном отношении. Это ведет к болезням. Время четвертой фазы – может растянуться на годы.
Фазы | Физическая | Химико-физическая | Химическая | Биологическая |
τ | 10-13 – 10-14 с | 10-10 с | 10-6 с | 1 суток- 50 лет |
Радиолиз
H2O +hν →H+OH+ē… →OH+OH+ +O2
Эффекты воздействия на организм
1. Детерминированное – клинические значимые, которые проявляются в виде явной патологии (лучевая болезнь). При действии сравнительно больших доз (20рентген) →пороговый характер, линейная зависимость от дозы.
2. Стохастические (вероятностные) – эффекты без порога. Реализация возможна при любой величине воздействия. Возникновение генетических повреждений.
Трудности исследований
1. латентность (скрытость) процесса;
2. выделение из общих причин радиологического фактора;
3. сравнительно небольшой размер выборки (небольшая статистика);
4. отсутствие адекватного контроля за заболеваниями;
5. недоучет посторонних воздействий, не связанных с облучением;
6. неадекватная дозиметрия (часто post-облучительная дозиметрия);
7. влияние сопутствующих факторов (прежде всего экономические и социальные).
Зависимость
а)линейная - y=aα→ величина фазы. а – константа; у – частота избыточных раковых заболеваний.
б) линейно-квадратичная - y=a2x2
в)квадратичная - y=a3x +a4x2
г)пороговая.
Модель абсолютного риска (аддитивная модель) – риск избыточных излучений не зависящее от естественной частоты данного вида злокачественных заболеваний. Абсолютный риск – число избыточных случаев заболеваний на 1млн человек на Зиверт или на Грей. Возраст не критичен.
Модель относительного риска (мультипликативная) – имеется синергетический эффект. Избыточный канцерогенный риск по окончанию латентного периода считается в виде отношения (как доля величины риска спонтанного и радиогенной в данной конкретной популяции).
Номинальный коэффициент риска
1. Для всего населения:
- смертельные 5*10-2 (Зв-1)
- не смертельные 1*10-2 (Зв-1)
- наследуемый эффект 1,0*10-2 (Зв-1)
2. Взрослые работающие:
- 4,0*10-2 (Зв-1)
- 0,8*10-2 (Зв-1)
- наследуемый эффект 1,0*10-2 (Зв-1).
Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ).
Аналитическая формулировка модели риска (ООН)
– риск смерти на протяжении всей жизни, если облучение имело место в возрасте a0.
– дополнительная смертность при облучении D в возрасте a.
- вероятность дожить до возраста a у лица, оставшегося в живых в возрасте a0 с учетом риска умереть от радиационного рака или любой другой причины.
|
|
а) аддитивная модель: - показатель абсолютной дополнительной смерти.
L – минимальный математический период;
P – период устойчивого риска (период, после воздействия которого происходят дополнительное заболевание при сохранении риска на том же уровне).
б) мультипликативная модель , где K(D) - дополнительный относительный риск на 1 Зв облучения; C(a) – естественная смертность от рака данного органа в обследуемой группе/популяции.
Методика для практической оценки риска
1) λ0 - число заболеваний этой природы в год на 100000человек (показатель фоновой, спонтанной заболеваемости);
2) λR - увеличение на дополнительную величину.
λ=λ0+λR
Зависит от возраста и пола, дозы и возраста на момент облучения (g(a0)).
3) λ=λ0+EAR (EAR – избыточный абсолютный риск).
4) λ=λ0*(1+EAR).
5) Величина атрибутивного риска
6) ERR (D, g) = a*D*exp(b(g-30))
b – величина, которая характеризует тип солидного(???) заболевания (зависит от пола).
Методика ФАО для оценки индивидуального дозы для продуктов питания.
- критический уровень ФАО (Бк/кг);
- индивидуальная доза от продукта питания (годовая).
Е –[mZr - милизиверт];
М(А) – годовое потребление продуктов питания [кг];
М(А)=550 кг – взрослые;
М(А)=200 кг – дети.
– дозовый R [mZr] для данного возраста и изотопа.
IPF – R импорта к своей продукции в потреблении продуктов питания.
Схемы радиоактивного распада
Cs137 T=30?167(13) лет
55Cs137 → 56Ba137 + ē + y
n0 → 1p+1 + e-1 + 0y0