Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
1 + т„/М
где тя и Ен — масса и энергии нейтрона, М и Е — масса и энергия ядра отдачи, в — угол между направлением движения падающего нейтрона и ядра отдачи. Из уравнения (П.6) следует, что ядру отдачи передается максимальная энергия, если это ядро имеет минимальную массу М. Значит, в результате упругого рассеяния наибольшее количество энергии нейтронного излучения поглощает водород (М = 1). Поэтому для экранирования нейтронных источников используют не свинец, а материал, богатый водородом, например парафин.
Биологические ткани богаты водородом, следовательно, в результате нейтронного облучения в них появляются ядра водорода, обладающие значительным запасом кинетической энергии — так называемые «протоны отдачи*. Эти протоны, обладая электрическим зарядом, могут взаимодействовать с электронными оболочками атомов, вызывая ионизацию. Упругое рассеяние нейтронов в тканях можно рассматривать как способ генерирования в глубине биологического объекта протонного излучения.
В биологических тканях нейтроны с энергией от 20 до 0,5 МэВ передают протонам отдачи соответственно от 78 до 96% своей энергии.
Неупругое рассеяние нейтронов состоит в том, что часть их энергии идет на сообщение ядру запаса кинетической энергии, а часть — на возбуждение ядра. Возбужденное ядро переходит
4. Механизмы процессов поглощения энергии излучений
65
в основное состояние с испусканием одного или нескольких 7-квантов. Неупругое рассеяние становится возможным при энергии нейтронов больше нескольких кэВ. В результате этого эффекта помимо непосредственно ионизирующих частиц (ядра элементов) в веществе возникают 7-кванты, косвенное ионизирующее действие которых обсуждалось выше.
Радиационный захват нейтрона ядром. Этот эффект становится вероятным при низких значениях скоростей нейтронов. Согласно уравнению Ферми:
~ 1/л/ЖГ ~ 1/vh, (п.7)
где Ен к v„ — энергия и скорость нейтрона соответственно, <т — эффективное сечение реакции, т. е. величина, количественно характеризующая вероятность взаимодействия нейтронов с ядром. В результате захвата нейтрона образуется короткоживущее высоковозбужденное ядро (его называют компаунд-ядром, или сложным ядром), которое переходит в стабильное состояние с испусканием 7-квантов, протонов или о-частиц. При захвате нейтрона легкими ядрами, например ядром водорода, испускается 7-квант с энергией 2,2 МэВ:
}Н + Jn —> jD + 7. (П.8)
Если же нейтрон захватывается промежуточным или тяжелым ядром, то могут испускаться протоны или о-частицы. Так, в случае захвата нейтрона ядром азота образуется изотоп углерода 14С и испускается протон с энергией 0,66 МэВ:
“N + о" “С + }р. (II.9)
Среди элементов, составляющих основную долю биологических тканей, наибольшее значение сечения реакции радиационного захвата медленных нейтронов установлено для водорода и азота. В результате этой ядерной реакции возникает высокоэнергетическое 7- и протонное излучение. Соотношение каждого из перечисленных процессов поглощения нейтронного излучения зависит от энергии частиц. Если ткань облучают потоком быстрых или сверхбыстрых нейтронов, то вначале преобладает упругое соударение с выбиванием ядер отдачи. После нескольких упругих соударений энергия нейтронов снижается, и нейтрон переходит в разряд медленных. Теперь преобладающим становится процесс радиационного захвата с испусканием вторичного излучения. В конечном счете облучение ткани нейтронами приводит к появлению протонов отдачи, ускоренных ядер других элементов и 7-излучения. Все эти продукты взаимодействия нейтронов с атомными ядрами могут вызывать значительную ионизацию в веществе.
Таким образом, ионизация поглотителя происходит косвенным путем. Нейтрон сам не в состоянии взаимодействовать с орбитальными электронами. Взаимодействие осуществляют быстрые заряженные частицы, высвобождаемые в веществе в результате поглощения кинетической энергии нейтронов. Это обстоятельство позволяет отнести нейтроны к разряду косвенно ионизирующих частиц и объединить их
3 Ю. Б. Кудряшов
66
Гл. II. Поглощение энергии ионизирующих излучений
по принципу действия в одну группу с фотонами рентгеновского и 7-излучения.
Согласно принятому определению, косвенно ионизирующие частицы — это незаряженные частицы, которые могут высвобождать непосредственно ионизирующие частицы или вызывать ядерные превращения.
4.3. Ионизация в тканях косвенно ионизирующими частицами
Нейтронное, рентгеновское и 7-излучение генерируют в веществе ионизации, пространственное распределение которых существенно отличается от такового при действии ускоренных заряженных частиц. Электронейтральные частицы, обладая высокой проникающей способностью, углубляются в ткани организма на значительные расстояния. Они формируют большинство ионизаций косвенным путем: фотоны рентгеновского и 7-излучения — за счет комптоновских и фотоэлектронов, а нейтроны — за счет идер отдачи. Эти заряженные частицы в основном и осуществляют перенос энергии излучения веществу,
