Формирование поглощенной дозы нейтронов в биологической ткани

 

Примерный химический состав мягкой биологической ткани можно выразить формулой «воображаемой тканевой молекулы» (С₅Н₄₀О₁₈N) _х. По числу атомов в биологической ткани первое место занимает водород, а по массе – кислород. Поскольку состав мягкой биологической ткани почти постоянен по основным элементам, преобладание того или иного процесса взаимодействия нейтронов с атомами среды определяется только энергией нейтронов. Из всех перечисленных процессов взаимодействия нейтронов в живой ткани возможны любые процессы кроме деления.

Передача энергии нейтронов в биологической ткани происходит, главным образом, за счет взаимодействия с веществом вторичных тяжелых заряженных частиц и фотонов, возникающих в результате рассеяния нейтронов на ядрах легких элементов, составляющих биологическую ткань. К этим «переносчикам энергии» относятся протоны отдачи, тяжелые ядра отдачи, продукты ядерных реакций (n,a), (n,p), фотоны, возникающие при радиационном захвате.

Основной вид взаимодействия нейтронов с легкими ядрами – упругое рассеяние.

Ядра отдачи, возникающие при рассеянии нейтронов с энергией менее 10 кэВ, в большинстве своем не обладают энергией, достаточной для ионизации, поэтому их вклад в поглощенную дозу незначителен. Претерпевая упругое рассеяние, такие нейтроны быстро замедляются до тепловых энергий, при которых нейтроны уже имеют большую вероятность захватиться ядрами составляющих среду элементов. Наибольшее значение при взаимодействии тепловых нейтронов с элементами ткани имеют две реакции: радиационный захват ядрами водорода ¹Н(n,g)²Н и реакция на ядрах азота с вылетом протона ¹⁴N(n, p)¹⁴C. Возникающие при радиационном захвате на водороде g-кванты имеют энергию e_g = 2,23 МэВ, при взаимодействии с тканью эти g-кванты могут дать существенный вклад в дозу. В реакции на азоте возникают протоны с энергией 0,62 МэВ и ядра ¹⁴C. Протоны практически все поглощаются в месте своего возникновения, в отличие от g-квантов радиационного захвата, имеющих в ткани пробег ~ 22 см.

Таким образом, при взаимодействии медленных нейтронов с тканью основная доля поглощенной энергии приходится на вторичное излучение, возникающее, во-первых, в процессе захвата тепловых нейтронов водородом и, во-вторых, в процессе реакции на азоте с вылетом протонов. Вклад в поглощенную дозу от g-квантов радиационного захвата примерно в 20 раз больше, чем вклад, обусловленный протонами (рис. 2.2). Вклад в дозу g-квантов и протонов определяется размерами биологического объекта. При облучении больших объемов определяющий вклад в дозу дают захватные g-кванты, при уменьшении размеров объекта уменьшается роль захватных g-квантов и возрастает долевое участие протонов.

Основной процесс, определяющий передачу энергии быстрых нейтронов (> 100 кэВ) в ткани, – упругое рассеяние. Почти вся поглощенная энергия распределяется между ядрами отдачи водорода (протоны отдачи), кислорода, углерода и азота, причем вклад в поглощенную дозу за счет протонов отдачи составляет 70 - 80 %. Вклад в поглощенную дозу за счет ядер отдачи других элементов, входящих в состав ткани, незначителен.

Преобладающая роль водорода при взаимодействии быстрых нейтронов с биологической тканью обусловлена несколькими причинами. Во-первых, сечение рассеяния на ядрах водорода больше, чем на ядрах других элементов, входящих в состав биологической ткани. Во-вторых, ядер водорода (протонов) в ткани больше, чем ядер всех других элементов. В-третьих, при упругом рассеянии на протоне возможна максимальная передача энергии нейтрона (формулы (2.3) и (2.4)).

Однако при облучении быстрыми нейтронами поглощенная доза формируется не только за счет ядер отдачи. Часть быстрых нейтронов, попавших в биологическую ткань, замедляется до

D яд

10-15

10-14

10-13

10-12

10-11

D пр

D g)

D Т)

	Рис. 2.2. Глубинные тканевые дозы нейтронов с энергией 0,1 кэВ: D пр – протоны; D яд – тяжелые ядра отдачи; D g – реакция (n, g); D T – полная доза излучения

 

10-14

10-13

10-12

10-11

D яд

D g

D пр

D Т

	Рис. 2.3. Глубинные тканевые дозы нейтронов с энергией 1 МэВ, обозначения те же, что на рис. 2.2

 

 

тепловой энергии, затем эти нейтроны захватываются или участвуют в ядерных реакциях с вылетом заряженных частиц; таким образом, эти вторичные продукты реакций также создают поглощенную дозу. Относительный вклад дозы тепловых нейтронов небольшой, он уменьшается при увеличении энергии нейтронов[15]. Относительный вклад различных процессов в поглощенную тканевую дозу быстрых нейтронов (e _n = 1 МэВ) представлен на рис. 2.3.

Особенностью биологического действия нейтронов является то, что различные виды вторичного излучения, создающего тканевую дозу, имеют различную относительную биологическую эффективность. Вклад в эквивалентную дозу отдельных компонентов может существенно отличаться от вклада тех же компонентов в тканевую поглощенную дозу. Так, для медленных нейтронов роль g-излучения в создании тканевой дозы значительно выше (в ~ 20 раз) доли протонов, возникающих в реакции на азоте (рис. 2.2). Однако биологическая эффективность протонов намного больше, чем g-квантов, и, следовательно, оба вида излучения вносят примерно одинаковый вклад в эквивалентную дозу, т.е. Н _пр @ Н _g. Рекомендуемые значения коэффициентов, отображающих качество излучения, изменяются по мере расширения наших знаний о механизме биологического действия излучения. Поэтому к энергетической чувствительности эквивалентной дозы следует относиться как к некоторой условной характеристике поля нейтронного излучения.

а)

ЭФФЕКТИВНАЯ ДОЗА НЕЙТРОНОВ

 

Для нейтронов так же, как и для любого другого вида излучения возможен расчет эффективной дозы по формуле (34) – численным интегрированием поглощенной энергии по органам и тканям с учетом радиационных и тканевых взвешивающих коэффициентов. Этот путь, очевидно, сложен и поэтому на практике эффективную дозу рассчитывают иначе. Определение эффективной дозы внешнего облучения нейтронами (как и любыми другими частицами), можно разделить на два этапа:

- оценка флюенса нейтронов Ф, воздействующих на человека;

- оценка эффективной дозы Е внешнего облучения для известного флюенса и направленности излучения.

Эффективная доза внешнего облучения Е прямо пропорциональна флюенсу излучения Ф, падающему на тело человека. Коэффициент пропорциональности d _Е (e _n) в этой зависимости носит название дозового коэффициента внешнего облучения [16], он равен эффективной дозе внешнего облучения, рассчитанной для флюенса Ф = 1 нейтр./см²; другими словами, d _Е - это эффективная доза, нормированная на единичный флюенс (рассчитанная для флюенса, равного единице). Таким образом, если известен флюенс Ф(e _n) (или плотность потока j(e _n)), а дозовый коэффициент равен d _Е (e _n), то тогда

Е = Ф(e _n)× d _Е (e _n), (2.5)

а мощность эффективной дозы

. (2.6)

При расчете дозовых коэффициентов учитываются искажения, которые вносит тело человека в поле излучения, поэтому дозовые коэффициенты зависят от направленности излучения. В таблице 2.2 приведены дозовые коэффициенты d _Е (e _n) для двух наиболее характерных типов поля излучения – изотропного (ИЗО) и мононаправленного, падающего на тело человека в направлении грудь-спина (передне-заднее облучение или ПЗ). Геометрии ИЗО и ПЗ являются двумя крайними случаями возможного распределения флюенса; реальные условия облучения находятся между ними. Зависимости дозовых коэффициентов d _Е от энергии нейтронов e _n для геометрий ИЗО и ПЗ приведены на рис. 2.4 в диапазоне энергий нейтронов от тепловых до 20 МэВ; заштрихована область реальных условий облучения.

Таким образом, определение мощности эффективной дозы при облучении моноэнергетическими нейтронами может быть выполнено без особого труда по формуле (2.6). В случае облучения нейтронами деления, имеющими в своем спектре нейтроны с энергией от тепловой до ~ 20 МэВ, необходимо воспользоваться зависимостью дозового коэффициента d _Е от энергии нейтронов e _n, представленной на рис. 2.4 (или данными табл. 2.2). Чтобы выполнить приближенную оценку эффективной дозы, можно весь энергетический диапазон испускаемых нейтронов деления разбить на несколько частей i = 1... n, для каждого интервала выбрать среднюю энергию нейтронов и для этой средней энергии найти дозовый коэффициент (из рис. 2.4 или табл. 2.2). Далее этот коэффициент d(e _i) умножить на плотность потока j(e _i) нейтронов, принадлежащих этому i -му промежутку, и все произведения просуммировать по n энергетическим интервалам.

 

Таблица 2.2

Значения мощности эффективной дозы d _Е моноэнергетических нейтронов, нормированные на единичную плотность потока и отношение эквивалента дозы Н, измеренного МКС к значению эффективной дозы в передне-задней геометрии Е (ПЗ) для различных энергий нейтронов e _n

 

e n, МэВ	Эффективная доза на единичный флюенс d Е, ´10-12 Зв×см2	Н (МКС)/ E (ПЗ)
ИЗО	ПЗ
Тепл.	3,30	7,60	-
10-6	5,63	13,8	-
10-4	6,45	14,6	-
10-3	6,04	14,2	-
10-2	7,70	18,3	1,10
5×10-2	17,3	38,5	1,00
10-1	27,2	59,8	0,95
5×10-1	75,0		1,00
1,0			1,25
3,0			1,22
5,0			0,91
10,0			0,55
20,0			-