Fotonsko ionizirajoče sevanje. Katera vrsta sevanja se nanaša na fotonsko sevanje Razdelek iii. upravljanje življenjske varnosti in ekonomski mehanizmi za njeno zagotavljanje

Oddelek za onkologijo, radioterapijo in radiacijsko diagnostiko

glava oddelek: prof., d.m.s. Redkin Aleksander Nikolajevič

Nosilec: dr. Čerkasova Irina Ivanovna

Povzetek na temo: "Fizika ionizirajočega sevanja"

Izpolnila: Vasilchenko Marina Gennadievna

Sevanja, ki se uporabljajo v medicinski radiologiji, delimo v 2 skupini:

1) Ionizirajoče sevanje

2) Neionizirajoče sevanje, ki vključuje radijske valove, infrardeče sevanje in ultrazvočne valove v območju 1-15 MHz.

ionizirajoče sevanje- to so elektromagnetna sevanja, ki nastanejo med ionizacijo atomov, njihovim radioaktivnim razpadom, tvorjenjem ionov različnih znakov pri interakciji z okoljem.

Ionizirajoče sevanje pogojno delimo v 2 skupini:

1) Korpuskularni

2) fotonski (kvantni)

Korpuskularno ionizirajoče sevanje

To sevanje je tok osnovnih delcev:

α - delci, β - delci (elektroni, pozitroni), protoni, nevtroni, mezoni itd. Imajo naboj, maso in energijo, za razliko od fotonov.

alfa sevanje predstavlja tok jeder atoma helija, ima maso 4 c.u. in napolni +2. Energija alfa delcev je 4-7 MeV. Domet alfa delcev v zraku doseže 8-10 cm, v biološkem tkivu 50-70 mikrometrov (mk). Ker je doseg alfa delcev v snovi majhen, energija pa zelo visoka, je ionizacijska gostota na enoto dolžine dosega zelo visoka (do 10 tisoč parov ionov na 1 cm).

beta sevanje - tok elektronov ali pozitronov med radioaktivnim razpadom. Beta delci imajo maso, ki je enaka 1/1838 mase vodikovega atoma, en sam negativen (beta delec) ali pozitiven (pozitron) naboj. Energija sevanja beta ne presega nekaj MeV. Razpon v zraku je od 0,5 do 2 m, v tkivih - 1-2 cm, njihova ionizacijska sposobnost je nižja od alfa delcev (več deset parov ionov na 1 cm poti).

Nevtroni so nevtralni delci z maso atoma vodika. Pri interakciji s snovjo izgubljajo energijo v elastičnih in neelastičnih trkih.

Pri interakciji korpuskularnega sevanja s snovjo osnovni delci svojo energijo prenesejo na atome tkiva, kar povzroči njihovo ionizacijo in razpad v nasprotno nabite delce (ione).

Protoni in α-delci, ki imajo veliko maso, naboj in energijo, se v tkivih premikajo premočrtno in tvorijo goste skupke ionov.

Elektron, ki ima majhno maso, potuje po vijugasti poti v tkivih in spreminja smer gibanja pod vplivom električnih polj atomov.

Glede na maso jeder in energijo nevtronov delimo slednje na hitre in počasne. Hitri nevtroni izgubijo energijo zaradi trkov z vodikovimi jedri ali iztisnejo protone. Počasne in toplotne ujamejo atomi lahkih elementov, kot so natrij, fosfor, klor, in postanejo radioaktivni (ti inducirana radioaktivnost).

Kvantno ionizirajoče sevanje

Gre za elektromagnetno sevanje, sestavljeno iz fotonov, delcev, ki nimajo mase in naboja, imajo pa veliko energijo in se gibljejo s svetlobno hitrostjo.

Kvantno ionizirajoče sevanje vključuje:

- γ-sevanje

Rentgensko sevanje (zavorno sevanje; karakteristično)

γ sevanje- fotonsko sevanje, ki nastane ob spremembi energijskega stanja atomskih jeder, pri jedrskih transformacijah ali pri anihilaciji delcev. Ima energijo od nekaj tisoč do nekaj milijonov elektronvoltov. Razširja se, tako kot rentgenski žarki, v zraku s svetlobno hitrostjo. Ionizirajoča sposobnost γ-sevanja je veliko manjša od sposobnosti α- in β-delcev. γ-sevanje ima veliko prodorno moč, ki se spreminja v širokem območju.

rentgensko sevanje- fotonsko sevanje, sestavljeno iz zavornega in (ali) karakterističnega sevanja, se pojavi v rentgenskih ceveh, pospeševalnikih elektronov, z energijo fotona, ki ne presega 1 MeV. Zavzema območje elektromagnetnega spektra med gama in ultravijoličnim sevanjem in predstavlja elektromagnetno sevanje z valovno dolžino od 10 -14 do 10 -7 m.

A) Zavorno sevanje - fotonsko sevanje z zveznim energijskim spektrom, ki nastane, ko se kinetična energija nabitih delcev zmanjša.

B) Karakteristično sevanje je fotonsko sevanje z diskretnim energijskim spektrom, ki nastane, ko elektroni spreminjajo energijske nivoje.

Rentgensko sevanje ima tako kot sevanje gama visoko prodorno moč in nizko ionizacijsko gostoto medija.

Glavni lastnosti rentgenski žarki

Nevidnost- občutljive celice človeške mrežnice ne reagirajo na rentgenske žarke, saj je njihova valovna dolžina tisočkrat manjša od valovne dolžine vidne svetlobe;

Premočrtno širjenje- žarki se lomijo, polarizirajo (širijo v določeni ravnini) in ugibajo, kot vidna svetloba. Lomni količnik se zelo malo razlikuje od enote;

fotografska akcija- razgrajujejo srebrove halogenidne spojine, vključno s tistimi, ki jih najdemo v fotografskih emulzijah, kar omogoča pridobivanje rentgenskih žarkov;

prodorna moč, na katerem temelji rentgenska diagnostika, je odvisno od gostote tkiv. Tako ima kostno tkivo največjo gostoto in s tem absorpcijsko sposobnost, zato med rentgenskim pregledom daje zatemnitev visoke intenzivnosti. Parenhimski organi so videti tudi kot zatemnitev, vendar zakasnijo rentgenske žarke 2-krat manj, zatemnitev pa ima povprečno intenzivnost. Zrak ne zadržuje žarkov in ustvarja razsvetljenje, kot na primer pljučno tkivo, ki ga predstavljajo alveoli, napolnjeni z zrakom.

Luminescentno delovanje- povzročajo luminiscenco številnih kemičnih spojin (fosforjev), to je osnova tehnike prenosa rentgenskih žarkov. Intenzivnost sijaja je odvisna od strukture fluorescenčne snovi, njene količine in oddaljenosti od vira rentgenskih žarkov. Fosforji se uporabljajo ne samo za pridobivanje slike proučevanih predmetov na fluoroskopskem zaslonu, temveč tudi v radiografiji, kjer omogočajo povečanje izpostavljenosti sevanju radiografskega filma v kaseti zaradi uporabe ojačevalnih zaslonov, katere površinska plast je iz fluorescentnih snovi;

ionizirajoča lastnost je, da pod delovanjem rentgenskih žarkov v katerem koli mediju, skozi katerega prehajajo, nastajajo ioni, po številu katerih se ocenjuje odmerek sevanja. Na tej lastnosti temelji metoda dozimetrije - merjenje doze z uporabo različnih vrst posebnih naprav - dozimetrov. Dozimetrijo izvajajo posebne oddelčne službe.

Biološki ali škodljivi učinek Zaradi ionizirajočega sevanja na človeško telo je treba pri izvajanju metod rentgenske diagnostike pred njim zaščititi tako osebje rentgenskih prostorov kot bolnike. Hkrati se ta lastnost uporablja pri radioterapiji za zdravljenje tumorskih in netumorskih bolezni.

Inverzni kvadratni zakon- pri točkovnem viru rentgenskega sevanja jakost pada sorazmerno s kvadratom razdalje do vira.

Vrste interakcij fotonov z atomi medija:

A) Fotoelektrični učinek (pri nizkih energijah fotona) – foton potegne elektrone iz atoma in mu preda svojo energijo.

B) Comptonovo neelastično sipanje elektronov na atomih (z energijami do 1 MeV) - tako sam foton kot povratni elektroni, ki ga tvorijo, povzročajo tudi ionizacijo snovi. Foton izbije elektron, pri čemer se odreče delu energije in spremeni svojo smer. Oba učinka povzročita največjo absorpcijo energije v površinski plasti tkiv (do 0,5 cm), kjer se tvori največje število sekundarnih elektronov.

C) Tvorba parov osnovnih delcev (pri energiji večji od 1 MeV) – povzroči maksimum ionizacijskih dejanj v globini tkiv. Nastanejo pari elektron-pozitron. Sam foton izgine. Pozitron hitro izgubi energijo in se združi s prihajajočim elektronom. Nato oba delca izgineta (anihilacija) in namesto njiju se pojavita 2 fotona, ki se razhajata v nasprotni smeri. Njihova energija je 2-krat manjša od začetnega fotona.

Enote odmerka sevanja

Absorbirana doza

Absorbirana doza(D) - vrednost, ki je enaka razmerju energije ΔΕ, prenesene na element obsevane snovi, in mase Δm tega elementa:

Enota SI za absorbirano dozo je siva (Gy), v čast angleškemu fiziku in radiobiologu Louisu Haroldu Greyu.

1 gr - To je absorbirana doza ionizirajočega sevanja katere koli vrste, pri kateri 1 kg mase snovi absorbira energijo 1 J energije sevanja.

V praktični dozimetriji se običajno uporablja izvensistemska enota absorbirane doze - vesel(1 vesel= 10 -2 Gr).

Enakovreden odmerek

Vrednost absorbirana doza upošteva le energijo, preneseno na obsevani objekt, ne upošteva pa "kakovosti sevanja". koncept kakovost sevanja označuje sposobnost določene vrste sevanja, da povzroči različne učinke sevanja. Za oceno kakovosti sevanja je uveden parameter - faktor kakovosti Je regulirana vrednost, njene vrednosti določajo posebne komisije in so vključene v mednarodne standarde za nadzor nevarnosti sevanja.

Ionizirajoče sevanje lahko pogojno razdelimo na fotonsko in korpuskularno. Fotonsko sevanje je elektromagnetne vibracije, do korpuskularnega tok delcev. Koncepti "elektromagnetnega", "kvantnega", "fotonskega" sevanja se lahko štejejo za enakovredne.

Vrsta interakcije fotonov z atomi snovi je odvisna od energije fotonov. Za merjenje energije in mase mikrodelcev se uporablja izvensistemska enota energije - elektron-volt. 1 eV je kinetična energija, ki jo pridobi delec z enim elementarnim nabojem pod vplivom potencialne razlike 1 V. 1 eV = 1,6 x 10 19 J. Več enot: 1 keV = 10 3 eV; 1 MeV = 10 6 eV.

Po sodobnih pojmovanjih nabiti delci (α-, β-delci, protoni itd.) ionizirajo snov neposredno, nevtralni delci (nevtroni) in elektromagnetno valovanje (fotoni) pa posredno. Tok nevtralnih delcev in elektromagnetno valovanje v interakciji s snovjo povzroči nastanek nabitih delcev, ki ionizirajo medij.

2.1. FOTONSKO IN KORPUSKULARNO SEVANJE

elektromagnetno sevanje. Zdravljenje z obsevanjem uporablja rentgensko sevanje iz naprav za rentgensko terapijo, sevanje gama iz radionuklidov in visokoenergijsko zavorno (rentgensko) sevanje.

rentgensko sevanje- fotonsko sevanje, sestavljeno iz zavornega in (ali) karakterističnega sevanja.

Bremsstrahlung- kratkovalovno elektromagnetno sevanje, ki nastane zaradi spremembe hitrosti (zaviranja) nabitih delcev pri interakciji z atomi zavorne snovi (anoda). Valovne dolžine zavornega rentgenskega sevanja niso odvisne od atomskega števila zaviralne snovi, ampak so določene samo z energijo pospešenih elektronov. Spekter zavornega sevanja je zvezen, z največjo energijo fotona, ki je enaka kinetični energiji upočasnjenih delcev.

Značilno sevanje nastane, ko se spremeni energijsko stanje atomov. Ko elektron izbije iz notranje lupine

atom z elektronom ali fotonom, atom preide v vzbujeno stanje, izpraznjeno mesto pa zasede elektron iz zunanje lupine. V tem primeru se atom vrne v normalno stanje in odda kvant karakterističnega rentgenskega sevanja z energijo, ki je enaka energijski razliki na ustreznih nivojih. Karakteristično sevanje ima linearni spekter z valovnimi dolžinami, določenimi za dano snov, ki so tako kot jakost črt karakterističnega rentgenskega spektra določene z atomskim številom elementa Z in elektronsko zgradbo atoma.

Intenziteta zavornega sevanja je obratno sorazmerna s kvadratom mase nabitih delcev in premo sorazmerna s kvadratom atomskega števila snovi, v polju katere se nabiti delci upočasnjujejo. Zato se za povečanje donosa fotonov uporabljajo razmeroma lahki nabiti delci - elektroni in snovi z velikim atomskim številom (molibden, volfram, platina).

Vir rentgenskega sevanja za namene obsevanja je rentgenska cev rentgenskih terapevtskih aparatov, ki jih glede na stopnjo generirane energije delimo na bližnje in oddaljene. Rentgensko sevanje naprav za rentgensko terapijo z majhnim fokusom nastane pri anodni napetosti manj kot 100 kV, daljinsko - do 250 kV.

Visoko energijsko zavorno sevanje, kot tudi rentgensko zavorno sevanje je elektromagnetno sevanje kratke valovne dolžine, ki nastane, ko se hitrost (pojemek) nabitih delcev spremeni pri interakciji s ciljnimi atomi. Ta vrsta sevanja se od rentgenskih žarkov razlikuje po visoki energiji. Visokoenergijski viri zavornega sevanja so linearni pospeševalniki elektronov - LUE z energijo zavornega sevanja od 6 do 20 MeV, pa tudi ciklični pospeševalniki - betatroni. Za pridobitev visokoenergetskega zavornega sevanja se uporablja upočasnitev močno pospešenih elektronov v vakuumskih sistemih pospeševalnikov.

Gama sevanje- kratkovalovno elektromagnetno sevanje, ki ga oddajajo vzbujena atomska jedra med radioaktivnimi transformacijami ali jedrskimi reakcijami, pa tudi med anihilacijo delca in antidelca (na primer elektrona in pozitrona).

Viri sevanja gama so radionuklidi. Vsak radionuklid oddaja γ-kvante svoje specifične energije. Radionuklidi nastajajo v pospeševalnikih in jedrskih reaktorjih.

Aktivnost radionuklidnega vira razumemo kot število razpadov atomov na enoto časa. Meritve so opravljene v Becquerelih (Bq). 1 Bq je aktivnost vira, pri kateri pride do 1 razpada na sekundo. Nesistemska enota dejavnosti je Curie (Ci). 1 Ki \u003d 3,7 x 10 10 Bq.

Viri γ-sevanja za daljinsko in intrakavitarno obsevanje so 60 Co in 137Cs. Najpogosteje uporabljena zdravila 60Co s povprečno energijo fotona 1,25 MeV (1,17 in 1,33 MeV).

Za intrakavitarno obsevanje se uporablja 60 Co,

137 Cs, 192 Ir.

Pri interakciji fotonskega sevanja s snovjo nastanejo pojavi fotoelektričnega učinka, Comptonovega učinka in procesa nastajanja parov elektron-pozitron.

fotoelektrični učinek sestoji iz interakcije kvanta gama z vezanim elektronom atoma (slika 10). Pri fotoelektrični absorpciji vso energijo vpadnega fotona absorbira atom, iz katerega se izbije elektron. Po emisiji fotoelektrona nastane v atomski ovojnici praznina. Prehod manj vezanih elektronov na prazne nivoje spremlja sproščanje energije, ki se lahko prenese na enega od elektronov zgornjih lupin atoma, kar vodi do njegovega pobega iz atoma (Augerjev učinek) ali pa se pretvori v energija karakterističnega rentgenskega sevanja. Tako se pri fotoelektričnem učinku del energije primarnega gama-kvanta pretvori v energijo elektronov (fotoelektronov in Augerjevih elektronov), del pa se sprosti v obliki karakterističnega sevanja. Atom, ki je izgubil elektron, se spremeni v pozitivni ion, izbiti elektron - fotoelektron - pa na koncu svojega teka izgubi energijo, se pridruži nevtralnemu atomu in ga spremeni v negativno nabit ion. Fotoelektrični učinek se pojavi pri relativno nizkih energijah - od 50 do 300 keV, ki se uporabljajo pri rentgenski terapiji.

Sl.10. fotoelektrični učinek

riž. enajst. Comptonov učinek

Comptonov učinek (nekoherentno sipanje) se pojavi pri energiji fotona od 120 keV do 20 MeV, torej pri vseh vrstah ionizirajočega sevanja, ki se uporabljajo pri obsevanju. Pri Comptonovem učinku vpadni foton zaradi elastičnega trka z elektroni izgubi del svoje energije in spremeni smer začetnega gibanja, iz atoma pa izbije povratni elektron (Comptonov elektron), ki dodatno ionizira snov (slika 11).

Proces pretvorbe energije primarnega fotona v kinetično energijo elektrona in pozitrona ter v energijo anihilacijskega sevanja. Kvantna energija mora biti večja od 1,02 MeV (dvakratna energija mirovanja elektrona). Do takšne interakcije kvantov s snovjo pride, ko paciente obsevamo na visokoenergijskih linearnih pospeševalnikih z visokoenergijskim zavornim žarkom. Foton izgine v Coulombovem polju jedra (ali elektrona).

riž. 12. Nastajanje parov elektron-pozitron

V tem primeru se celotna energija vpadnega fotona prenese na nastali par, zmanjšan za ostalo energijo para. Elektroni in pozitroni, ki nastanejo v procesu absorpcije žarkov gama, izgubijo svojo kinetično energijo zaradi ionizacije molekul medija in ko se srečajo, anihilirajo z emisijo dveh fotonov z energijo 0,511 MeV vsak (slika 12).

Kot rezultat zgornjih procesov interakcije fotonskega sevanja s snovjo nastane sekundarno fotonsko in korpuskularno sevanje (elektroni in pozitroni). Ionizacijska sposobnost delcev je veliko večja od fotonskega sevanja. Pri izmenjujočih se procesih nastajanja elektron-pozitronskih parov, zavornem sevanju, se v mediju ustvari ogromno fotonov in nabitih delcev, t.i. sevalni plaz, ki razpada z zmanjševanjem energije vsakega novonastalega fotona in delca.

Interakcija rentgenskih žarkov s snovjo spremlja njena ionizacija in jo določata dva glavna učinka - fotoelektrična absorpcija in Comptonovo sipanje. Pri interakciji visokoenergetskega zavornega sevanja s snovjo pride do Comptonovega sipanja in do tvorbe ionskih parov, saj je energija fotona večja od 1,02 MeV.

Intenzivnost fotonskega sevanja iz točkovnega vira se v prostoru spreminja obratno sorazmerno s kvadratom razdalje.

Korpuskularno sevanje- tokovi nabitih delcev: elektroni, protoni, težki ioni (na primer ogljikova jedra) z energijami več sto MeV, pa tudi nevtralni delci - nevtroni. Obsevanje s snopom delcev se danes imenuje hadronska terapija. Hadronom (iz grške besede hadros- "težki") vključujejo nukleone, protone in nevtrone, ki so vključeni v njih, kot tudi π -mezoni itd. Viri delcev so pospeševalniki in jedrski reaktorji. Glede na največjo energijo pospešenih protonov pospeševalnike pogojno delimo na 5 stopenj, pospeševalnike 5. stopnje z Ep > 200 MeV (mezonske tovarne)

uporabljajo za proizvodnjo posameznih radionuklidov. Praviloma je proizvodnja teh radionuklidov v ciklotronih drugačne stopnje nemogoča ali neučinkovita.

visokoenergijski elektronski žarek generirajo isti pospeševalci elektronov kot pri proizvodnji zavornega sevanja. Uporabljajo se elektronski žarki z energijo od 6 do 20 MeV. Visokoenergijski elektroni imajo visoko prodorno moč. Povprečna prosta pot takšnih elektronov v tkivih človeškega telesa lahko doseže 10-20 cm, elektronski žarek, ki se absorbira v tkivih, ustvari dozno polje, pri katerem se ionizacijski maksimum oblikuje blizu površine telesa. Nad ionizacijskim maksimumom odmerek precej hitro pade. Na sodobnih linearnih pospeševalnikih je mogoče regulirati energijo elektronskega žarka in s tem ustvariti potrebno dozo na zahtevani globini.

Nevtron je delec brez naboja. Procesi interakcije nevtronov (nevtralnih delcev) s snovjo so odvisni od energije nevtronov in atomske sestave snovi. Glavni učinek toplotnih (počasnih) nevtronov z energijo 0,025 eV na biološko tkivo se pojavi pod delovanjem protonov, ki nastanejo v reakciji (n, p) in izgubijo vso svojo energijo na mestu rojstva. Večina energije počasnih nevtronov se porabi za vzbujanje in cepitev tkivnih molekul. Skoraj vsa energija hitrih nevtronov z energijami od 200 keV do 20 MeV se izgubi v tkivu med elastično interakcijo. Nadaljnje sproščanje energije nastane kot posledica ionizacije medija s povratnimi protoni. Visoka linearna energijska gostota nevtronov preprečuje popravilo obsevanih tumorskih celic.

Druga vrsta izpostavljenosti nevtronom je terapija z zajemom nevtronov, ki je binarna radioterapevtska metoda, ki združuje dve komponenti. Prva komponenta je stabilni izotop bora 10 B, ki se lahko, če ga dajemo kot del zdravila, kopiči v celicah nekaterih vrst možganskih tumorjev in melanomov. Druga komponenta je tok nizkoenergijskih toplotnih nevtronov. Težki visokoenergijski nabiti delci, ki nastanejo kot posledica zajetja toplotnega nevtrona v jedro 10 B (bor razpade na atome litija in α-delce), uničijo le celice, ki so v neposredni bližini atomov bora, skoraj brez vpliva na sosednje atome. normalne celice. Poleg bora so v terapiji z zajemom nevtronov obetavni pripravki z gadolinijem. Za globoko ležeče tumorje je obetavna uporaba epitermalnih nevtronov v energijskem območju od 1 eV do 10 keV, ki imajo visoko prodorno moč in z upočasnitvijo v tkivih do toplotne energije omogočajo izvajanje terapije za zajemanje nevtronov tumorji, ki se nahajajo na globini do 10 cm, pridobivanje visokih tokov toplotnih in epitermalnih nevtronov se izvaja z jedrskim reaktorjem.

Proton je pozitivno nabit delec. Uporablja se metoda obsevanja na »Braggovem vrhu«, ko se največja energija nabitih delcev sprosti na koncu zaleta in je lokalizirana v omejenem volumnu obsevanja.

moj tumor. Posledica tega je, da na površini telesa in v globini obsevanega predmeta nastane velik dozni gradient, po katerem pride do ostrega oslabitve energije. S spreminjanjem energije žarka je mogoče z veliko natančnostjo spremeniti mesto njegove popolne ustavitve v tumorju. Uporabljajo se protonski žarki z energijo 70-200 MeV in tehnika večpoljskega obsevanja iz različnih smeri, pri kateri se celotna doza porazdeli na veliko površino površinskih tkiv. Pri obsevanju na sinhrociklotronu PNPI (Peterburški inštitut za jedrsko fiziko) se uporablja fiksna energija izločenega protonskega žarka - 1000 MeV in se uporablja tehnika neprekinjenega obsevanja. Protoni tako visoke energije zlahka prehajajo skozi obsevani predmet in povzročijo enakomerno ionizacijo na svoji poti. V tem primeru pride do majhnega sipanja protonov v snovi, zato ostane ozek protonski žarek z ostrimi mejami, ki nastane na vhodu, praktično enako ozek v območju obsevanja znotraj predmeta. Zaradi neprekinjenega obsevanja v kombinaciji z rotacijsko tehniko obsevanja je zagotovljeno zelo visoko razmerje doze v coni obsevanja do doze na površini objekta - približno 200:1. Ozek protonski žarek z dimenzijami pri polovični intenzivnosti 5-6 mm se uporablja za zdravljenje različnih možganskih bolezni, kot so arteriovenske malformacije možganov, adenomi hipofize itd. ogljikovi ioni se izkaže, da je v Braggovem vrhu nekajkrat višja kot pri protonih. Pride do večkratnih dvojnih prelomov vijačnice DNA atomov obsevanega volumna, ki jih po tem ni več mogoče obnoviti.

π -Mezoni- osnovni delci brez spina z maso, katere vrednost je vmesna med masama elektrona in protona. π-mezoni z energijami 25-100 MeV preidejo v tkivo skoraj brez jedrskih interakcij, na koncu pa jih ujamejo jedra tkivnih atomov. Dejanje absorpcije π-mezona spremlja iz uničenega jedra uhajanje nevtronov, protonov, α-delcev, ionov Li, Be itd.. Visoki stroški tehnološke podpore procesa so doslej onemogočali aktivno uvajanje hadronske terapije v klinično prakso.

Prednosti uporabe visokoenergetskega sevanja za zdravljenje malignih tumorjev v globini so: z večanjem energije se povečuje globinska doza in zmanjšuje površinska, večja prodorna moč s povečanjem relativne globinske doze, in manjša razlika med absorbirano dozo v kosteh in mehkih tkivih. Ob prisotnosti linearnega pospeševalnika ali betatrona ni potrebe po odstranitvi radioaktivnega vira, kot pri uporabi radionuklidov.

Pri izvajanju brahiterapije se uporabljajo sistemska radionuklidna terapija, radionuklidi, ki sevajo α, β, γ, pa tudi viri z mešanim, na primer γ- in nevtronskim (n) sevanjem.

α -Sevanje- korpuskularno sevanje, sestavljeno iz jeder 4 He (dva protona in dva nevtrona), ki se oddajajo med radioaktivnim razpadom jeder ali med jedrskimi reakcijami, transformacijami. α-delci se oddajajo med radioaktivnim razpadom elementov, težjih od svinca ali nastajajo v jedrskih

reakcije. α-delci imajo visoko ionizacijsko sposobnost in nizko prodorno moč, nosijo dva pozitivna naboja.

Radionuklid 225 Ac z razpolovno dobo 10,0 dni v kombinaciji z monoklonskimi protitelesi uporabljamo za radioimunoterapijo tumorjev. V prihodnje se bo za te namene uporabljala uporaba radionuklida 149 Tb z razpolovno dobo 4,1 ure.

β -Sevanje- korpuskularno sevanje z zveznim energijskim spektrom, ki ga sestavljajo negativno ali pozitivno nabiti elektroni ali pozitroni (β - ali β + delci) in nastane zaradi radioaktivnega β-razpada jeder ali nestabilnih delcev. β-sevalci se uporabljajo pri zdravljenju malignih tumorjev, katerih lokalizacija omogoča neposreden stik s temi zdravili.

Viri β-sevanja so 106 Ru, β - sevalec z energijo 39,4 keV in razpolovno dobo 375,59 dni, 106 Rh, β - - sevalec z energijo 3540,0 keV in razpolovno dobo 29,8 s. Oba β-emiterja 106 Ru + 106 Rh sta vključena v komplete oftalmoloških aplikatorjev.

β - -Emiter 32 P z energijo 1,71 MeV in razpolovno dobo 14,2 dni se uporablja v kožnih aplikatorjih za zdravljenje površinskih bolezni. Radionuklid 89 Sr je praktično čisti β-emiter z razpolovno dobo 50,6 dni in povprečno energijo β-delcev 1,46 MeV. Za paliativno zdravljenje kostnih metastaz se uporablja raztopina 89 Sr - klorida.

153 Sm z energijami β-sevanja 203,229 in 268 keV ter z energijami γ-sevanja 69,7 in 103 keV, razpolovno dobo 46,2 h je del domačega zdravila samarij-oksabifor, namenjenega učinku na kostne metastaze, pa tudi na uporablja se pri bolnikih s hudimi bolečinami v sklepih z revmatizmom.

90 Y z razpolovno dobo 64,2 ure in največjo energijo 2,27 MeV se uporablja za različne terapevtske namene, vključno z radioimunoterapijo z označenimi protitelesi, zdravljenjem jetrnih tumorjev in revmatoidnega artritisa.

Radionuklid 59 Fe kot del tabletiranega radiofarmaka se uporablja v Ruskem znanstvenem centru za rentgensko radiologijo (Moskva) za zdravljenje bolnic z rakom dojke. Načelo delovanja zdravila je po mnenju avtorjev porazdelitev železa s pretokom krvi, selektivno kopičenje v celicah tumorskega tkiva in izpostavljenost β-sevanju. 67 Cu z razpolovno dobo 2,6 dni kombiniramo z monoklonskimi protitelesi za radioimunsko zdravljenje tumorjev.

186 Re v pripravku (renijev sulfid) z razpolovno dobo 3,8 dni uporabljamo za zdravljenje bolezni sklepov, balonske katetre z raztopino natrijevega perrenata pa za endovaskularno brahiterapijo. Menijo, da obstaja možnost uporabe β + -emiterja 48 V z razpolovno dobo 16,9 dni za intrakoronarno brahiterapijo z uporabo arterijskega stenta iz zlitine titana in niklja.

131 I uporabljamo v obliki raztopin za zdravljenje bolezni ščitnice. 131 I razpade z emisijo kompleksnega spektra β- in γ-sevanja. Ima razpolovno dobo 8,06 dni.

Rentgenski in Augerjevi oddajniki elektronov vključujejo 103 Pd z razpolovno dobo 16,96 dni in 111 In z razpolovno dobo 2,8 dni. 103 Pd v obliki zaprtega vira v titanovi kapsuli se uporablja pri brahiterapiji tumorjev. 111 In se uporablja v radioimunoterapiji z uporabo monoklonskih protiteles.

125 I, ki je γ-emiter (vrsta jedrske transformacije - elektronski zajem s pretvorbo joda v telur in sproščanjem γ-kvanta), se uporablja kot zaprti mikrovir za brahiterapijo. Razpolovna doba - 60,1 dni.

mešanoγ+ nevtronsko sevanje je lastno 252 Cf z razpolovno dobo 2,64 leta. Uporablja se za kontaktno obsevanje z upoštevanjem nevtronske komponente pri zdravljenju visoko rezistentnih tumorjev.

2.2. KLINIČNA DOZIMETRIJA

Klinična dozimetrija- odsek dozimetrije ionizirajočih sevanj, ki je sestavni del obsevalnega zdravljenja. Glavna naloga klinične dozimetrije je izbira in utemeljitev obsevalnih sredstev, ki zagotavljajo optimalno prostorsko in časovno porazdelitev absorbirane energije sevanja v telesu obsevanega pacienta ter kvantitativni opis te porazdelitve.

Klinična dozimetrija uporablja računalniške in eksperimentalne tehnike. Računske metode temeljijo na že znanih fizikalnih zakonitostih interakcije različnih vrst sevanja s snovjo. S pomočjo eksperimentalnih metod se situacije zdravljenja modelirajo z meritvami v tkivno-ekvivalentnih fantomih.

Naloge klinične dozimetrije so:

Merjenje sevalnih karakteristik žarkov terapevtskega sevanja;

Merjenje sevalnih polj in absorbiranih doz v fantomih;

Neposredne meritve sevalnih polj in absorbiranih doz na pacientih;

Merjenje sevalnih polj razpršenega sevanja v kanjonih s terapevtskimi napravami (za namene sevalne varnosti pacientov in osebja);

Izvedba absolutne kalibracije detektorjev za klinično dozimetrijo;

Izvajanje eksperimentalnih študij novih terapevtskih metod obsevanja.

Osnovni pojmi in količine klinične dozimetrije so absorbirana doza, dozno polje, dozimetrični fantom, tarča.

Doza ionizirajočega sevanja: 1) merilo sevanja, ki ga prejme obsevani predmet, absorbirana doza ionizirajočega sevanja;

2) kvantitativna značilnost polja sevanja - doza izpostavljenosti in kerma.

Absorbirana doza- to je glavna dozimetrična količina, ki je enaka razmerju med povprečno energijo, ki jo ionizirajoče sevanje prenese na snov v elementarni prostornini, in maso snovi v tej prostornini:

kjer je D absorbirana doza,

E - povprečna energija sevanja,

m je masa snovi na enoto prostornine.

Gray (Gy) je sprejet kot enota za absorbirano dozo sevanja v SI v čast angleškemu znanstveniku L. H. Grayu, znanemu po svojem delu na področju dozimetrije sevanja. 1 Gy je enak absorbirani dozi ionizirajočega sevanja, pri kateri se na snov, ki tehta 1 kg, prenese energija ionizirajočega sevanja, enaka 1 J. V praksi je izvensistemska enota absorbirane doze rad (absorbirana doza sevanja). ), je tudi pogosta. 1 rad \u003d 10 2 J / kg \u003d 100 erg / g \u003d 10 2 Gy oz 1 Gy = 100 rad.

Absorbirana doza je odvisna od vrste, jakosti sevanja, njegove energijske in kakovostne sestave, časa izpostavljenosti ter tudi od sestave snovi. Doza ionizirajočega sevanja je tem večja, čim daljši je čas obsevanja. Povečanje odmerka na časovno enoto se imenuje hitrost odmerka, ki označuje hitrost kopičenja doze ionizirajočega sevanja. Dovoljeno je uporabljati različne posebne enote (na primer Gy/h, Gy/min, Gy/s itd.).

Doza fotonskega sevanja (rentgenskega in gama sevanja) je odvisna od atomskega števila elementov, ki sestavljajo snov. Pri enakih pogojih obsevanja v težkih snoveh je praviloma višji kot v pljučih. Na primer, v istem rentgenskem polju je absorbirana doza v kosteh večja kot v mehkih tkivih.

Na področju nevtronskega sevanja je glavni dejavnik, ki določa nastanek absorbirane doze, jedrska sestava snovi in ​​ne atomsko število elementov, ki sestavljajo biološko tkivo. Za mehka tkiva je absorbirana doza nevtronskega sevanja v veliki meri določena z interakcijo nevtronov z jedri ogljika, vodika, kisika in dušika. Absorbirana doza v biološki snovi je odvisna od energije nevtronov, saj nevtroni različnih energij selektivno interagirajo z jedri snovi. V tem primeru se lahko pojavijo nabiti delci, γ-sevanje, pa tudi radioaktivna jedra, ki sama postanejo viri ionizirajočega sevanja.

Tako absorbirana doza med obsevanjem z nevtroni nastane zaradi energije sekundarnih ionizirajočih delcev različne narave, ki nastanejo pri interakciji nevtronov s snovjo.

Absorpcija energije sevanja povzroča procese, ki vodijo do različnih radiobioloških učinkov. Za določeno vrsto sevanja, proizvodnja učinkov sevanja na določen način

je povezana z absorbirano energijo sevanja, pogosto preprosto sorazmerno razmerje. To omogoča, da se odmerek sevanja vzame kot kvantitativno merilo posledic izpostavljenosti, zlasti na živ organizem.

Različne vrste ionizirajočega sevanja imajo pri enaki absorbirani dozi različen biološki učinek na tkiva živega organizma, ki ga določa njihova relativna biološka učinkovitost – RBE.

RBE sevanja je odvisna predvsem od razlik v prostorski porazdelitvi ionizacijskih dogodkov, ki jih povzročata korpuskularno in elektromagnetno sevanje v obsevani snovi. Imenuje se energija, ki jo nabit delec prenese na enoto dolžine svoje poti v snovi linearni prenos moči (LET). Obstajajo redki ionizirajoči (LEP)< 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ >10 keV/μm) vrste sevanja.

Biološke učinke, ki se pojavijo pri različnih vrstah ionizirajočega sevanja, običajno primerjamo s podobnimi učinki, ki se pojavijo v rentgenskem polju z mejno energijo fotona 200 keV, ki je vzeto kot zgled.

koeficient RBE določa razmerje med absorbirano dozo standardnega sevanja, ki povzroči določen biološki učinek, in absorbirano dozo danega sevanja, ki daje enak učinek.

kjer je D x doza dane vrste sevanja, za katero se določi RBE, D R doza primernega rentgenskega sevanja.

Na podlagi podatkov RBE so različne vrste ionizirajočega sevanja označene z njihovo sevalno emisivnostjo.

Utežni koeficient sevanja (koeficient sevanja sevanja) je brezdimenzijski faktor, s katerim je treba za izračun pomnožiti absorbirano dozo sevanja v organu ali tkivu enakovredni odmerek sevanja za upoštevanje učinkovitosti različnih vrst sevanja. Pojem ekvivalentne doze se uporablja za vrednotenje biološkega učinka izpostavljenosti ne glede na vrsto sevanja, ki je potreben za namene varstva pred sevanji osebja, ki dela z viri ionizirajočih sevanj, ter bolnikov pri radioloških raziskavah in zdravljenju.

Enakovreden odmerek je opredeljena kot povprečna vrednost absorbirane doze v organu ali tkivu ob upoštevanju povprečnega utežnega faktorja sevanja.

kjer je H ekvivalentna absorbirana doza,

W R je utežni faktor sevanja, ki ga trenutno določajo standardi varstva pred sevanjem.

Enota SI za ekvivalentno dozo je Sievert (Sv)- poimenovana po švedskem znanstveniku R. M. Sievertu, prvem predsedniku Mednarodne komisije za radiološko zaščito (ICRP). Če je v zadnji formuli absorbirana doza sevanja (D) izražena v Grayih, potem bo ekvivalentna doza izražena v Sievertih. 1 Sv je enaka ekvivalentni dozi, pri kateri je produkt absorbirane doze (D) v živem tkivu standardne sestave in povprečnega koeficienta sevanja (W R) enak 1 J/kg.

V praksi je pogosta tudi zunajsistemska enota ekvivalentnega odmerka - rem(1 Sv \u003d 100 rem), če je v isti formuli absorbirana doza sevanja izražena v radih.

Utežni koeficienti za posamezne vrste sevanja pri izračunu ekvivalentne doze.

Učinkovit ekvivalentni odmerek- koncept, ki se uporablja za dozimetrično oceno izpostavljenosti zdravih organov in tkiv ter verjetnosti dolgoročnih učinkov. Ta odmerek je enak vsoti zmnožkov ekvivalentnega odmerka v organu ali tkivu in ustreznega utežnega faktorja (utežnega faktorja) za najpomembnejše človeške organe:

kjer je E učinkoviti ekvivalentni odmerek,

H T - ekvivalentna doza v organu ali tkivu T,

W T - utežni faktor za organ ali tkivo T.

Enota SI za efektivno ekvivalentno dozo je Sievert (Sv).

Za dozimetrično karakteristiko polja fotonskega ionizirajočega sevanja je odmerek izpostavljenosti. Je merilo ionizacijske moči fotonskega sevanja v zraku. Enota doze izpostavljenosti v SI je Coulomb na kilogram (C/kg). Doza izpostavljenosti 1 C/kg pomeni, da nabiti delci, ki se sprostijo v 1 kg atmosferskega zraka med primarnimi akti absorpcije in sipanja fotonov,

tvorijo ione s skupnim nabojem istega predznaka, ki je enak 1 Coulomb, s polno uporabo njihovega dosega v zraku.

V praksi se pogosto uporablja izvensistemska enota odmerka izpostavljenosti. Rentgen (R)- poimenovana po nemškem fiziku W. K. Rontgenu: 1 P \u003d 2,58 x10 -4 C/kg.

Doza izpostavljenosti se uporablja za karakterizacijo polja samo fotonskega ionizirajočega sevanja v zraku. Daje idejo o potencialni stopnji izpostavljenosti ljudi ionizirajočemu sevanju. Pri dozi izpostavljenosti 1 R je absorbirana doza v mehkih tkivih v istem polju sevanja približno 1 rad.

Če poznamo dozo izpostavljenosti, lahko izračunamo absorbirano dozo in njeno porazdelitev v katerem koli kompleksnem predmetu, ki je nameščen v danem polju sevanja, zlasti v človeškem telesu. To vam omogoča načrtovanje in nadzor določenega načina osvetlitve.

Trenutno pogosteje kot dozimetrična količina, ki označuje polje sevanja, kerma(KERMA je okrajšava za izraz: Kinetic Energy Released in Material). Kerma je kinetična energija vseh nabitih delcev, ki jih sprošča ionizirajoče sevanje katere koli vrste, na enoto mase obsevane snovi med primarnimi dejanji interakcije sevanja s to snovjo. Pod določenimi pogoji je kerma enaka absorbirani dozi sevanja. Za fotonsko sevanje v zraku je to energijski ekvivalent doze izpostavljenosti. Razsežnost kerme je enaka dimenziji absorbirane doze, izražene kot j/kg.

Tako je koncept "doze izpostavljenosti" potreben za oceno ravni doze, ki jo ustvari vir sevanja, kot tudi za nadzor režima izpostavljenosti. Koncept "absorbirane doze" se uporablja pri načrtovanju obsevalne terapije, da bi dosegli želeni učinek (tabela 2.1).

polje odmerka- to je prostorska porazdelitev absorbirane doze (ali njene moči) v obsevanem delu pacientovega telesa, tkivno ekvivalentnem mediju ali dozimetričnem fantomu, ki simulira pacientovo telo glede na fizikalne učinke interakcije sevanja s snovjo, oblika in velikost organov in tkiv ter njihova anatomska razmerja. Informacije o polju doze so predstavljene v obliki krivulj, ki povezujejo točke enakih vrednosti (absolutnih ali relativnih) absorbirane doze. Takšne krivulje imenujemo izodoze, in njihove družine - karte izodoz. Absorbirano dozo na kateri koli točki odmernega polja je mogoče vzeti kot konvencionalno enoto (ali 100 %), zlasti največjo absorbirano dozo, ki mora ustrezati tarči, ki jo je treba obsevati (to je območje, ki pokriva klinično zaznano tumor in pričakovano območje njegovega širjenja).

Fizikalna značilnost sevalnega polja je označena z različnimi parametri. Število delcev, ki prodrejo v medij, se imenuje fluence. Vsota vseh prodirajočih delcev in delcev, razpršenih v določenem mediju, je tok ionizirajočih delcev, razmerje med pretokom in površino pa je gostota pretoka. Spodaj intenzivnost sevanja, ali gostoto pretoka

Tabela 2.1. Osnovne sevalne količine in njihove enote

energije, razumejo razmerje med pretokom energije in površino predmeta. Intenzivnost sevanja je odvisna od gostote toka delcev. Razen linearni prenos moči (LET), karakterizirajo povprečne izgube energije delcev (fotonov), določijo linearno ionizacijska gostota (LPI),število parov ionov na enoto dolžine poti (tir) delca ali fotona.

Oblikovanje doznega polja je odvisno od vrste in vira sevanja. Pri oblikovanju doznega polja s fotonskim sevanjem se upošteva, da intenziteta fotonskega sevanja točkovnega vira pada v mediju obratno sorazmerno s kvadratom razdalje do vira. Pri dozimetričnem načrtovanju se uporablja koncept povprečne ionizacijske energije, ki vključuje energijo direktne ionizacije in energijo vzbujanja atomov, ki vodi do sekundarnega sevanja, ki prav tako povzroča ionizacijo. Pri fotonskem sevanju je povprečna energija ionizacije enaka povprečni energiji tvorbe ionov elektronov, ki jih sprostijo fotoni.

Porazdelitev doze žarka γ-sevanja je neenakomerna. 100-odstotni izodozni odsek ima razmeroma majhno širino, nato pa relativna vrednost odmerka precej strmo pada vzdolž krivulje. Velikost polja obsevanja je določena s širino 50% doze. Ko se oblikuje dozno polje zavornega sevanja, pride do strmega padca doze na meji polja, ki ga določa majhnost žarišča. To vodi do dejstva, da je širina 100% izodoze blizu širine 50% izodoze, ki določa dozimetrično vrednost velikosti polja obsevanja. Tako so pri oblikovanju porazdelitve odmerka med obsevanjem z zavornim žarkom prednosti pred žarkom γ, saj se zmanjšajo odmerki obsevanja zdravih organov in tkiv v bližini patološkega žarišča (tabela 2.2).

Tabela 2.2. Globina 100 %, 80 % in 50 % izodoz pri najpogosteje uporabljenih energijah sevanja

Opomba. Razdalja vir-površina za aparat za rentgensko terapijo - 50 cm; gama terapevtski - 80 cm; linearni pospeševalci - 100 cm.

Iz podatkov v tabeli. Slika 2.2 kaže, da ima megavoltno sevanje, v nasprotju z ortovoltažnimi rentgenskimi žarki, največjo dozo ne na površini kože, njegova globina se povečuje z naraščajočo energijo sevanja (slika 13). Ko elektroni dosežejo maksimum, se opazi strm gradient odmerka, ki omogoča zmanjšanje odmerne obremenitve spodnjih zdravih tkiv.

Protone odlikuje odsotnost sipanja sevanja v telesu, možnost upočasnitve žarka na določeni globini. Hkrati se z globino prodiranja povečuje linearna energijska gostota (LED), absorbirana doza se povečuje in doseže maksimum na koncu poti delcev,

riž. 13. Energijska porazdelitev različnih vrst sevanja v tkivno ekvivalentnem fantomu: 1 - z rentgensko terapijo z bližnjim žariščem 40 kV in globoko rentgensko terapijo 200 kV; 2 - z gama terapijo 1,25 MeV; 3 - pri zavornem sevanju 25 MeV; 4 - pri obsevanju s hitrimi elektroni 17 MeV; 5 - pri obsevanju s protoni 190 MeV; 6 - pri obsevanju s počasnimi nevtroni 100 keV

Slika 14. Bragg Peak

riž. petnajst. Porazdelitev doze sevanja gama iz dveh odprtih vzporednih nasprotnih polj

tako imenovan Braggov vrh, kjer je lahko doza veliko višja kot na vhodu žarka, s strmim gradientom doze za Braggovim vrhom do skoraj 0 (slika 14).

Pogosto se med obsevanjem uporabljajo vzporedna nasprotna polja (slika 15, glej sliko 16 na barvnem vstavku). Pri razmeroma centralni lokaciji žarišča je doza iz vsakega polja običajno enaka; če je območje ciljne lokacije ekscentrično, se razmerje odmerkov spremeni v korist polja, ki je najbližje tumorju, na primer 2:1, 3:1 itd.

V tistih primerih, ko se odmerek dovaja iz dveh nevzporednih polj, potem manjši je kot med njunima centralnima osema, večja je izenačitev izodoze s pomočjo odjemalca.

novi filtri, ki omogočajo homogenizacijo porazdelitve odmerka (glej sliko 17 na barvnem vložku). Za zdravljenje globoko ležečih tumorjev se običajno uporabljajo tri- in štiripoljne tehnike obsevanja (slika 18).

Na linearnem pospeševalniku elektronov se pravokotno sevalno polje različnih velikosti oblikuje s pomočjo kovinskih vpenjal.

riž. osemnajst. Porazdelitev doz sevanja gama iz treh polj

limatorji vgrajeni v aparat. Dodatno oblikovanje snopa dosežemo s kombinacijo teh kolimatorjev in posebnih blokov (komplet svinčenih blokov ali blokov iz Woodove zlitine različnih oblik in velikosti), pritrjenih na LAE za kolimatorji. Bloki pokrivajo dele pravokotnega polja zunaj tarčnega volumna in ščitijo tkiva zunaj tarče ter tako tvorijo polja kompleksne konfiguracije.

Najnovejši linearni pospeševalniki vam omogočajo nadzor položajev in gibanja večlistnih kolimatorjev, ki tvorijo polje. Tipični večlistni kolimatorji imajo od 20 do 80 ali več rezil, razporejenih v parih. Računalniško krmiljenje položaja velikega števila tesno priležečih ozkih cvetnih listov omogoča ustvarjanje polja želene oblike. Z nastavitvijo cvetnih listov v želeni položaj dobimo polje, ki najbolj ustreza obliki tumorja. Prilagoditev polja se izvede s spremembami v računalniški datoteki, ki vsebuje nastavitve za cvetne liste.

Pri načrtovanju odmerka se upošteva, da mora biti največji odmerek (95-107 %) dostavljen v načrtovani ciljni volumen, medtem ko ≥ 95 % tega volumna prejme ≥ 95 % načrtovanega odmerka. Drug nujen pogoj je, da le 5 % volumna ogroženih organov lahko prejme ≥ 60 % načrtovanega odmerka.

Običajno imajo linearni pospeševalniki dozimeter, katerega detektor je vgrajen v napravo za tvorjenje primarnega zavornega žarka, torej se spremlja vhodna doza sevanja. Merilnik odmerka je pogosto kalibriran za odmerjanje na referenčni točki pri največji globini ionizacije.

Dozimetrično zagotavljanje intrakavitarne γ-terapije z viri visoka aktivnost zasnovan za individualno oblikovanje porazdelitve odmerka, ob upoštevanju lokalizacije, obsega primarnega tumorja, linearnih dimenzij votline. Pri načrtovanju se lahko uporabijo izračunani podatki v obliki atlasa multiplanarnih izodoznih porazdelitev, pritrjenih na intrakavitarne γ-terapevtske pripomočke, kot tudi podatki iz sistemov za načrtovanje intrakavitarnih pripomočkov, ki temeljijo na osebnih računalnikih.

Prisotnost računalniško podprtega načrtovalnega sistema za kontaktno terapijo omogoča izvedbo klinične in dozimetrične analize za vsako specifično situacijo z izbiro porazdelitve odmerka, ki najbolj ustreza obliki in obsegu primarnega žarišča, kar omogoča zmanjšati intenzivnost izpostavljenosti sevanju okoliških organov.

Pred uporabo virov sevanja za kontaktno obsevanje se izvede njihova predhodna dozimetrična certifikacija, za katero se uporabljajo klinični dozimetri in kompleti tkivno ekvivalentnih fantomov.

Za fantomske meritve doznih polj, klinični dozimetri z majhnimi ionizacijskimi komorami ali drugimi (polprevodniškimi, termoluminescentnimi) detektorji, analizatorji

doznega polja ali izodozografov. Za spremljanje absorbiranih doz pri bolnikih se uporabljajo tudi termoluminiscenčni detektorji (TLD).

dozimetrične naprave. Dozimetrične instrumente lahko uporabljamo za merjenje doz posamezne vrste sevanja ali mešanih sevanj. Radiometri merijo aktivnost ali koncentracijo radioaktivnih snovi.

Energija sevanja se absorbira v detektorju dozimetrične naprave, kar povzroči pojav sevalnih učinkov, katerih velikost se meri z merilnimi napravami. V zvezi z merilno opremo je detektor signalni senzor. Odčitke dozimetrične naprave beleži izhodna naprava (kazalci, zapisovalniki, elektromehanski števci, zvočne ali svetlobne signalne naprave itd.).

Glede na način delovanja ločimo dozimetrične naprave na stacionarne, prenosne (lahko jih nosimo le v izklopljenem stanju) in nosljive. Dozimetrično napravo za merjenje doze sevanja, ki jo prejme vsaka oseba v območju sevanja, imenujemo individualni dozimeter.

Glede na vrsto detektorja ločimo ionizacijske dozimetre, scintilacijske, luminescentne, polprevodniške, fotodozimetre itd.

Ionizacijska komora- naprava za preučevanje in registracijo jedrskih delcev in sevanja. Njegovo delovanje temelji na sposobnosti hitro nabitih delcev, da povzročijo ionizacijo plina. Ionizacijska komora je zračni ali plinski električni kondenzator, na katerega elektrode se nanaša potencialna razlika. Ko ionizirajoči delci vstopijo v prostor med elektrodama, se tam tvorijo elektroni in plinski ioni, ki se, gibajoč se v električnem polju, zbirajo na elektrodah in posnamejo snemalne naprave. Razlikovati trenutno in impulz ionizacijske komore. V tokovnih ionizacijskih komorah galvanometer meri tok, ki ga ustvarjajo elektroni in ioni. Trenutne ionizacijske komore dajejo informacije o skupnem številu ionov, ki nastanejo v 1 s. Običajno se uporabljajo za merjenje jakosti sevanja in za dozimetrične meritve.

V pulznih ionizacijskih komorah se beležijo in merijo napetostni impulzi, ki nastanejo na uporu, ko skozenj teče ionizacijski tok, ki ga povzroči prehod posameznega delca.

V ionizacijskih komorah za preučevanje γ-sevanja je ionizacija posledica sekundarnih elektronov, izbitih iz atomov plina ali sten ionizacijskih komor. Večja kot je prostornina ionizacijskih komor, več ionov tvorijo sekundarni elektroni, zato se za merjenje nizkointenzivnega γ-sevanja uporabljajo ionizacijske komore velike prostornine.

Ionizacijska komora se lahko uporablja tudi za merjenje nevtronov. V tem primeru ionizacijo povzročijo povratna jedra (običajno proto-

us), ki jih ustvarijo hitri nevtroni ali α-delci, protoni ali γ-kvanti, ki nastanejo pri zajetju počasnih nevtronov v jedra 10 B, 3 He, 113 Cd. Te snovi se vnesejo v plin ali stene ionizacijskih komor.

V ionizacijskih komorah je sestava plina in snovi sten izbrana tako, da je pri enakih pogojih obsevanja zagotovljena enaka absorpcija energije (na enoto mase) v komori in biološkem tkivu. Pri dozimetričnih napravah za merjenje ekspozicijskih doz so komore napolnjene z zrakom. Primer ionizacijskega dozimetra je mikrorentgenmeter MRM-2, ki omogoča merilno območje od 0,01 do 30 μR/s za sevanje z energijami fotonov od 25 keV do 3 MeV. Odčitavanje indikacij poteka na kazalni napravi.

AT scintilacija V dozimetričnih napravah se svetlobni utrinki, ki nastanejo v scintilatorju pod vplivom sevanja, pretvorijo s fotopomnoževalnikom v električne signale, ki jih nato posname merilna naprava. Scintilacijski dozimetri se najpogosteje uporabljajo v dozimetriji varstva pred sevanji.

AT luminiscentna Dozimetrične naprave izkoriščajo dejstvo, da so fosforji sposobni akumulirati absorbirano energijo sevanja in jo nato sprostiti z luminescenco pod vplivom dodatnega vzbujanja, ki se izvaja bodisi s segrevanjem fosforja bodisi z njegovim obsevanjem. Intenzivnost luminiscenčnega svetlobnega bliska, izmerjena s posebnimi napravami, je sorazmerna z dozo sevanja. Glede na mehanizem luminescence in način dodatnega vzbujanja obstajajo termoluminiscentna (TLD) in radiofotoluminiscenčni dozimetri. Značilnost luminiscentnih dozimetrov je sposobnost shranjevanja informacij o dozi.

Nadaljnja stopnja v razvoju luminiscenčnih dozimetrov so bili dozimetrični instrumenti na osnovi termoemisije. Pri segrevanju nekaterih fosforjev, predhodno obsevanih z ionizirajočim sevanjem, elektroni (eksoelektroni) letijo iz njihove površine. Njihovo število je sorazmerno z dozo sevanja v fosforni snovi. Termoluminiscenčni dozimetri se v klinični dozimetriji najbolj uporabljajo za merjenje doze na pacientu, v telesni votlini in kot osebni dozimetri.

Polprevodnik(kristalni) dozimetri spreminjajo prevodnost s hitrostjo doze. Pogosto se uporablja skupaj z ionizacijskimi dozimetri.

Rusija ima sevalno meroslovno službo, ki preverja klinične dozimetre in izvaja dozimetrično certificiranje sevalnih naprav.

Na stopnji dozimetričnega načrtovanja, ob upoštevanju podatkov topometrične karte in klinične naloge, inženir-fizik oceni porazdelitev doze. Porazdelitev doze, dobljena v obliki niza izolinij (izodoza), se nanese na topometrično karto in služi za določitev takšnih parametrov obsevanja, kot so velikost polja obsevanja, lokacija središčne točke osi žarka sevanja in njihove smeri.

Določi se enkratna absorbirana doza, skupna absorbirana doza in izračuna se čas izpostavljenosti. Dokument je protokol, ki vsebuje vse parametre obsevanja posameznega pacienta na izbrani terapevtski enoti.

Pri izvajanju brahiterapije se naprava uporablja skupaj z ustrezno ultrazvočno opremo, ki omogoča ovrednotenje položaja virov in porazdelitve izodoze v organu v sistemu realnega časa zahvaljujoč sistemu načrtovanja. Druga možnost je vnos virov v tumor pod nadzorom računalniške tomografije.

Žarek sevanja zahtevane oblike in določenih dimenzij se oblikuje z uporabo nastavljive diafragme, kolimacijske naprave, zamenljivih standardnih in individualnih zaščitnih blokov, klinastih in kompenzacijskih filtrov in bolusov. Omogočajo vam, da omejite območje in polje obsevanja, povečate gradient doze na njegovih mejah, izravnate porazdelitev odmerka ionizirajočega sevanja znotraj polja ali, nasprotno, porazdelite s potrebno neenakomernostjo, ustvarite območja in polja , vključno z zavitimi in večkrat povezanimi (z notranjimi zaščitenimi območji).

Za pravilno reprodukcijo in nadzor posameznega programa obsevanja pacienta se uporabljajo naprave za vizualizacijo snopa, mehanski, optični in laserski centralizatorji, standardni in individualni fiksatorji za imobilizacijo pacienta med obsevanjem ter rentgenska in druga introskopija. Delno so vgrajeni v obsevalno glavo, pacientovo mizo in druge dele aparata. Laserski centralizatorji so nameščeni na stenah sobe za zdravljenje. Rentgenski introskopi so nameščeni v bližini terapevtskega žarka na talnem ali stropnem stojalu s ključavnicami za nastavitev, v želenem položaju pacienta.

Vsa ionizirajoča sevanja delimo na fotonska in korpuskularna.

Fotonsko ionizirajoče sevanje vključuje:

• a) Y-sevanje, oddano med razpadom radioaktivnih izotopov ali anihilacijo delcev. Sevanje gama je po naravi kratkovalovno elektromagnetno sevanje, tj. tok visokoenergijskih kvantov elektromagnetne energije, katerih valovna dolžina je veliko manjša od medatomskih razdalj, tj. l
• b) rentgensko sevanje, ki nastane, ko se kinetična energija nabitih delcev zmanjša in/ali ko se spremeni energijsko stanje elektronov atoma.

Korpuskularno ionizirajoče sevanje sestavlja tok nabitih delcev (alfa, beta delcev, protonov, elektronov), katerih kinetična energija zadošča za ionizacijo atomov ob trku. Nevtroni in drugi osnovni delci neposredno ne povzročajo ionizacije, ampak v procesu interakcije z medijem sproščajo nabite delce (elektrone, protone), ki lahko ionizirajo atome in molekule medija, skozi katerega prehajajo:

a) nevtroni - edini nenabiti delci, ki nastanejo v nekaterih reakcijah cepitve jeder atomov urana ali plutonija. Ker so ti delci električno nevtralni, prodrejo globoko v vsako snov, tudi v živa tkiva. Posebnost nevtronskega sevanja je njegova sposobnost pretvorbe atomov stabilnih elementov v njihove radioaktivne izotope, tj. ustvarjajo inducirano sevanje, ki močno poveča nevarnost nevtronskega sevanja. Prodorna moč nevtronov je primerljiva z Y-sevanjem. Glede na stopnjo prenesene energije pogojno ločimo hitre nevtrone (z energijami od 0,2 do 20 MeV) in toplotne nevtrone (od 0,25 do 0,5 MeV). Ta razlika se upošteva pri izvajanju zaščitnih ukrepov. Hitre nevtrone upočasnjujejo in izgubljajo ionizacijsko energijo snovi z nizko atomsko težo (tako imenovane vodikove: parafin, voda, plastika itd.). Toplotne nevtrone absorbirajo materiali, ki vsebujejo bor in kadmij (borovo jeklo, boral, borov grafit, zlitina kadmija in svinca).

Delci alfa, beta in gama imajo energijo le nekaj megaelektronvoltov in ne morejo ustvariti induciranega sevanja;

• b) beta delci - elektroni, ki nastanejo med radioaktivnim razpadom jedrskih elementov s srednjo ionizacijsko in prodorno močjo (tečejo v zraku do 10-20 m).
• c) alfa delci - pozitivno nabita jedra atomov helija, v vesolju pa atomi drugih elementov, ki se oddajajo med radioaktivnim razpadom izotopov težkih elementov - urana ali radija. Imajo nizko prodorno sposobnost (tečejo po zraku - ne več kot 10 cm), celo človeška koža je zanje nepremostljiva ovira. Nevarni so le, ko vstopijo v telo, saj lahko iz lupine nevtralnega atoma katere koli snovi, tudi človeškega telesa, izbijejo elektrone in ga spremenijo v pozitivno nabit ion z vsemi posledicami, ki iz tega izhajajo. razpravljali kasneje. Tako delec alfa z energijo 5 MeV tvori 150.000 parov ionov.

riž. eno

Količinska vsebnost radioaktivnega materiala v človeškem telesu ali snovi je opredeljena z izrazom "aktivnost radioaktivnega vira" (radioaktivnost). Enota za radioaktivnost v sistemu SI je bekerel (Bq), kar ustreza enemu razpadu v 1 s. Včasih se v praksi uporablja stara enota aktivnosti, curie (Ci). To je aktivnost takšne količine snovi, v kateri v 1 sekundi razpade 37 milijard atomov. Za prevod se uporablja naslednja odvisnost: 1 Bq = 2,7 x 10 Ci ali 1 Ki = 3,7 x 10 Bq.

Vsak radionuklid ima nespremenljivo, edinstveno razpolovno dobo (čas, potreben, da snov izgubi polovico svoje aktivnosti). Na primer, za uran-235 je 4470 let, za jod-131 pa le 8 dni.

Fotonsko IR vključuje sevanje radioaktivnih snovi, karakteristično in zavorno sevanje, ki ga ustvarjajo različni pospeševalniki. LPI fotonskega sevanja je najnižji (1-2 para ionov na 1 cm3 zraka), kar določa njegovo visoko prodorno sposobnost (dolžina poti v zraku je nekaj sto metrov).

- sevanje nastane med radioaktivnim razpadom. Prehod jedra iz vzbujenega v osnovno stanje spremlja emisija -kvanta z energijami od 10 keV do 5 MeV. Glavni terapevtski viri - sevanja so - naprave (puške).

Zavorno rentgensko slikanje nastane zaradi pospeševanja in ostrega upočasnjevanja elektronov v vakuumskih sistemih različnih pospeševalnikov in se od rentgenskih žarkov razlikuje po višji energiji fotona (od enega do več deset MeV).

Ko fotonski tok prehaja skozi snov, ta oslabi zaradi naslednjih interakcijskih procesov (vrsta interakcije fotonov z atomi snovi je odvisna od energije fotona):

Klasično (koherentno ali Thompsonovo sipanje) - za fotone z energijo od 10 do 50-100 keV. Relativna pogostost tega učinka je majhna. Pride do interakcije, ki pa ne igra bistvene vloge, saj se vpadni kvant ob trku z elektronom odkloni, njegova energija pa se ne spremeni.

Fotoelektrična absorpcija (fotoelektrični učinek) - pri relativno nizkih energijah - od 50 do 300 keV (ima pomembno vlogo pri rentgenski terapiji). Vpadni kvant izbije orbitalni elektron iz atoma, sam se absorbira in elektron, ki rahlo spremeni smer, odleti. Ta ubežni elektron se imenuje fotoelektron. Tako se energija fotona porabi za delovno funkcijo elektrona in za dajanje kinetične energije.

Comptonov učinek (nekoherentno sipanje) - pojavi se pri energiji fotona od 120 keV do 20 MeV (torej skoraj celoten spekter obsevanja). Vpadni kvant izbije elektron iz zunanje lupine atoma, mu prenese del energije in spremeni njegovo smer. Elektron odleti iz atoma pod določenim kotom, novi kvant pa se od prvotnega razlikuje ne le v drugačni smeri gibanja, temveč tudi v nižji energiji. Nastali kvant bo posredno ioniziral medij, elektron pa neposredno.

Proces nastajanja parov elektron-pozitron - kvantna energija mora biti večja od 1,02 MeV (dvakratna energija mirovanja elektrona). Ta mehanizem je treba upoštevati pri obsevanju pacienta z visokoenergijskim zavornim žarkom, to je na visokoenergijskih linearnih pospeševalnikih. V bližini jedra atoma se vpadni kvant pospeši in izgine ter se spremeni v elektron in pozitron. Pozitron se hitro združi s prihajajočim elektronom in pride do procesa anihilacije (medsebojne anihilacije), namesto tega pa se pojavita dva fotona, katerih energija je polovica energije prvotnega fotona. Tako se energija primarnega kvanta pretvori v kinetično energijo elektrona in v energijo anihilacijskega sevanja.

Fotografija jedrski prevzem - kvantna energija mora biti večja od 2,5 MeV. Jedro atoma absorbira foton, zaradi česar jedro preide v vzbujeno stanje in lahko odda elektron ali razpade. Tako nastanejo nevtroni.

Kot rezultat zgornjih procesov interakcije fotonskega sevanja s snovjo nastane sekundarno fotonsko in korpuskularno sevanje (elektroni in pozitroni). Ionizacijska sposobnost delcev je veliko večja od fotonskega sevanja.

Prostorsko slabljenje fotonskega žarka poteka po eksponentnem zakonu (inverzni kvadratni zakon): jakost sevanja je obratno sorazmerna s kvadratom razdalje do vira sevanja.

Sevanje v energijskem območju od 200 keV do 15 MeV je našlo najširšo uporabo pri zdravljenju malignih novotvorb. Velika prodorna moč vam omogoča prenos energije na globoko locirane tumorje. To močno zmanjša izpostavljenost sevanju kože in podkožnega tkiva, kar vam omogoča, da dosežete zahtevani odmerek na lezijo brez poškodb teh delov telesa (za razliko od mehkih rentgenskih žarkov). S povečanjem energije fotonov nad 15 MeV se poveča tveganje za poškodbe tkiv zaradi sevanja na izhodu iz žarka.

Elektronski pospeševalci in rentgenski aparatiin . Pri prehodu nabitih delcev v elektromagnetnem polju s pospeškom ali pojemkom se energija delca izgubi v obliki zavornega fotonskega sevanja. Ta princip temelji na pridobivanju žarkov fotonskega sevanja med upočasnjevanjem elektronov, ki jih odda katoda rentgenske cevi in ​​jih pospeši električno polje med katodo in anodo na tarči.

Slika 5.10 prikazuje primitivni diagram rentgenskega aparata, ki prikazuje povedano.

Slika 5.10. Primitivna shema rentgenskega aparata.

Moč takega vira fotonov je določena z elektronskim tokom, napetostjo med katodo in anodo, materialom in debelino tarče in je v območju od 10 5 do 10 14 s -1. Približno moč vira lahko izrazimo s formulo:

J ~ i Z V 2 (5.34),

pri čemer jaz- tok na cevi, Z je atomsko število ciljnega materiala, V- napetost na cevi.

Energijska porazdelitev fotonov, ki jih oddaja tarča, je zvezna v območju od 0 do energije pospešenih elektronov in ima podobno obliko, kot je prikazana na sliki 5.11.

Slika 5.11. Energijski spektri rentgenskega sevanja volframove tarče pri različnih napetostih cevi.

V ozadju zveznega spektra zavornega sevanja, za katerega je značilna največja energija fotona, ki je enaka energiji pospešenih elektronov, se jasno razlikujejo monoenergetski kvanti značilnega sevanja ciljnega materiala, ki po amplitudi in položaju presegajo amplitudo zavornega sevanja. energija je odvisna od ciljnega materiala.

Bistvena razlika med linearnim pospeševalnikom elektronov in rentgenskim aparatom je le v energiji pospešenih elektronov, ki pri rentgenskih aparatih običajno ne presega 400 keV, na pospeševalnikih pa doseže desetine MeV. To se kaže tudi v spektru zavornega sevanja, katerega približna oblika za elektrone je prikazana na sliki 5.7. Za prakso izračuna zaščite pred zavornim sevanjem pospeševalnikov elektronov se pogosto prikazana spektralna porazdelitev nadomesti z monoenergijsko porazdelitvijo z efektivno energijo, ki je enaka 2/3E e pri energiji pospešenih elektronov Njo<1,7 МэВ ; 1/2 E e pri Njo v območju 1,7 - 10 MeV, 5 MeV pri E e \u003d 10-15 MeV in 1/3 E e pri E e >15 MeV.

Poleg razlike v fotonskih emisijskih spektrih teh naprav je razlika tudi v kotni porazdelitvi emitiranih fotonov (slika 5.12).

Slika 5.12. Kotna porazdelitev fotonov, oddanih iz tarče pospeševalnika pri različnih pospeševalnih napetostih

Na pospeševalnikih fotoni praviloma letijo v smeri primarnega elektronskega žarka, na rentgenskem aparatu pri nizkih napetostih na cevi v smeri, pravokotni na primarni žarek.

Opozoriti je treba še na eno značilnost visokoenergijskih pospeševalnikov elektronov. Če energija zavornega fotonskega sevanja preseže vezavno energijo nevtronov v jedru tarčnega materiala ali strukturnih elementov, potem v skladu z reakcijo (γ,n) nastane močno spremljajoče nevtronsko sevanje, ki včasih določa sevalno situacijo v bližini pospeševalnik.

Reaktor kot vir fotonov. Viri fotonskega sevanja v jedrskem reaktorju se razlikujejo tako po naravi nastanka kot po lastnostih oddanega sevanja. Ločimo lahko naslednje glavne skupine reaktorskih fotonov: hitro sevanje gama, sevanje gama cepitvenih produktov, sevanje gama z zajemom, sevanje gama z neelastičnim sipanjem nevtronov in aktivacijsko sevanje gama.

Trenutno sevanje gama predstavlja kvante gama, oddane med cepitvijo težkega jedra in razpadom kratkoživih produktov cepitve, tj. fotonsko sevanje, oddano skozi čas t<5·10 -7 с po fisijski reakciji. Skupna energija tega sevanja gama je približno 7 MeV/div, se spekter oddanih fotonov zmanjšuje z naraščajočo energijo in ima zvezno porazdelitev energije do energije približno 7,5 MeV s povprečno energijo fotona 2,5 MeV. To sevanje nastaja v sredici reaktorja neposredno med njegovim delovanjem.

Gama sevanje fisijskih produktov jedrsko gorivo je posledica sevanja gama radionuklidov, ki se naberejo v gorivu med delovanjem reaktorja, tako neposredno v procesu cepitve kot zaradi radioaktivnega razpada teh produktov in zajemanja nevtronov z nastalimi cepitvenimi produkti. Na splošno cca. 1000 radionuklidi - cepitveni produkti, od katerih ima vsak spekter diskretnih energijskih linij žarkov gama in svojo razpolovno dobo. Obilje radionuklidov z različnimi razpadnimi obdobji in prisotnost številnih gama prehodov v njihovih razpadnih shemah tvori skoraj neprekinjen spekter sevanja gama iz fisijskih produktov, ki se spreminja glede na čas delovanja reaktorja in čas njegove zaustavitve. Aktivnosti fisijskih produktov v katerem koli trenutku je mogoče izračunati iz podatkov o neodvisnih ali kumulativnih izkoristkih fisijskih produktov in presekov reakcij, ki vodijo do njihovega nastanka. Po približno letu dni izpostavljenosti k celotnemu spektru največ prispevajo fotoni v energijskem območju od 0,5 do 0,9 MeV s srednjo energijo 0,8 MeV in skupno energijo približno 7,5 MeV/div.

Zajemite sevanje gama nastane med zajemanjem nevtronov, tako v gorivnem materialu kot v strukturnih elementih reaktorja, zaradi česar se ne tvori samo v jedru reaktorja, temveč tudi v strukturah, ki ga obdajajo, vključno z biološko zaščito reaktor. Če v prvem približku predpostavimo, da v procesu delitve 235 U tvorijo toplotni nevtroni 2,43 nevtron/cepitev, od katerih se eden uporablja za samovzdržujočo cepitveno reakcijo, potem pa približno 1,43 nevtroni se ujamejo s tvorbo zajemnega sevanja gama. Ob upoštevanju dejstva, da imajo preseki zajemanja nevtronov s strukturnimi elementi reaktorja največje vrednosti za nevtrone toplotne energije, vezavna energija nevtronov za jedra teh materialov pa je v območju 7-11 MeV, potem je energija zajetja gama kvantov določena predvsem z energijo vezave nevtronov v jedru in je enaka 7-11 MeV. To visoko prodorno fotonsko sevanje v mnogih primerih določa razsežnosti biološke zaščite reaktorja.

Neelastično sipanje sevanja gama spremlja zajem hitrega nevtrona z jedrom, ki mu sledi emisija nevtrona z nižjo energijo. Energijska razlika med ujetimi in oddanimi nevtroni se realizira z emisijo žarkov gama. Odvisnosti presekov neelastičnega sipanja od energije nevtronov so mejne narave, zato je ta proces možen le pri energijah nevtronov nad približno 0,8 MeV in težke materiale. Ob upoštevanju nizkih vrednosti presekov neelastičnega sipanja in nizke energije nastalih žarkov gama (spodaj 4 MeV), je prispevek tega sevanja k značilnostim polja sevanja gama reaktorja veliko manjši od prispevka zajetnega sevanja gama.

Aktivacijsko sevanje gama zaradi reakcij zajemanja nevtronov s stabilnimi jedri reaktorskih materialov s tvorbo radioaktivnih nuklidov. To je predvsem posledica reakcij (n,γ) oz (n,p). Pri izbiri konstrukcijskih elementov reaktorja so sprejeti vsi ukrepi za zmanjšanje koncentracij materialov, ki vodijo v nastanek aktivacijskega sevanja, ki pa vedno nastane kot posledica korozije materialov in vdora produktov korozije s primarnim hladilom v jedro reaktorja. Značilnosti nastalih radionuklidov aktivacijskega sevanja so dobro znane, saj spadajo med zgoraj opisane radionuklide.

Treba je opozoriti na značilnosti nastajanja polj sevanja gama reaktorja. Če se trenutno, zajemno, gama sevanje neelastičnega sipanja nevtronov in kratkotrajna aktivacijska aktivnost hladilne tekočine 1. kroga tvorita le med delovanjem reaktorja in ti viri določajo njegovo varno delovanje, potem gama sevanje cepitvenih produktov, nabranih med delovanjem reaktorja, in dolgoživi radionuklidi aktivacijskega sevanja določajo sevanje gama zaustavljenega reaktorja in posledično določajo problematiko ravnanja z izrabljenim jedrskim gorivom in radioaktivnimi odpadki, nakopičenimi v reaktorju. Imajo tudi odločilno vlogo v sevalnem okolju, ki nastane ob izrednih dogodkih.

5.4.3. Viri nevtronskega sevanja .

Jedrski reaktor kot vir nevtronov . Jedrska cepitev se lahko izvede pod delovanjem različnih osnovnih delcev (nevtronov, protonov, alfa delcev itd.) ali fotonov, ki prenašajo pomembno energijo. Cepijo se predvsem težka jedra. Med vsemi znanimi fisijskimi reakcijami so reakcije pod delovanjem nevtronov največjega praktičnega pomena. Eden od pogojev za cepitev vzbujenega jedra, ki nastane med zajemanjem nevtrona, je presežek vzbujalne energije določenega praga - kritične energije E kr, tj. E + E St> E kr, kje E je kinetična energija vpadnega nevtrona in E St je vezavna energija nevtrona v jedru. Za izotope 231 Pa, 232 Th, 237 Np in 238 U itd. E cr> E St, zato njihova cepitev zahteva nevtrone z visoko kinetično energijo ( E >1 MeV), ali hitri nevtroni. Hkrati za 233 U, 235 U, 239 Pu in 241 Pu E svetloba> E kr. To razmerje pojasnjuje sposobnost teh izotopov za cepitev na toplotne nevtrone; take nuklide imenujemo cepljivi.

Na splošno je reakcija zajemanja nevtronov, tvorba sestavljenega jedra in kasnejša realizacija njegovega vzbujenega stanja, npr. 235 U lahko zapišemo v naslednji obliki:

92 236 U + γ

(absorpcija brez cepitve -10 – 15%)

92 235 U + 0 1 n 92 236 U

z1 A1 X + z2 A2 Y + γ + β +2,43 0 1 n +ν

(delitev - 85-90%)

Pri cepitvi težkih jeder, skupaj s fisijskimi drobci z 1 A 1 X , z 2 A 2 Y nastane več sekundarnih nevtronov. Na primer, pri cepitvi urana pogosteje nastaneta dva nova nevtrona (do 30 %), redkeje en, trije ali celo štirje nevtroni (do 25 %). V nekaterih dogodkih cepitve sekundarni nevtroni sploh ne nastanejo (do 10 %).

Pomembna točka, ki določa možnost razvoja fisijske verižne reakcije, je povprečno število sekundarnih nevtronov ν na 1 fisijski dogodek. Tabela 5.4 prikazuje vrednosti ν za glavne cepljive nuklide med cepitvijo s toplotno in 238 U hitri nevtroni.