Гамма-лучи — это фотоны, освобождающиеся при распаде атомных ядер радиоактивных изотопов, например цезия (l37Cs), кобальта (60Со). Рентгеновское излучение представляет собой фотоны, образовавшиеся в электрическом поле в результате бомбардировки электронами мишени, например, из вольфрама (таков принцип работы линейного ускорителя).
Когда быстро летящие электроны приближаются к ядру вольфрама достаточно близко, они притягиваются к нему и изменяют траекторию движения. Изменение направления вызывает замедление движения, и кинетическая энергия переходит в фотоны тормозного рентгеновского излучения. Фотоны этого излучения имеют различный диапазон энергии, от нуля до максимума, который зависит от кинетической энергии бомбардирующих электронов.
Такие аппараты, как бетатрон и линейный ускоритель, генерируют электроны с высокой кинетической энергией и поэтому продуцируют рентгеновское излучение с высокой энергией. В дополнение к фотонам тормозного излучения образуются характеристические фотоны, т. к. атомы стремятся заполнить образовавшиеся свободные электронные орбитали. Гамма-лучи и рентгеновские лучи можно собирательно назвать фотонами; для лечебных целей больший интерес представляютзначения энергии, способы подведения фотонов к мишени, но не их источники.
Взаимодействие фотонов гамма-лучей и рентгеновского излучения
Следующие шесть механизмов лежат в основе взаимодействия фотонов с веществом:
1) комптоновское рассеяние;
2) фотоэлектрическое поглощение;
3) образование пар;
4) образование триплетов;
5) фотохимический распад;
6) когерентное рассеяние (без передачи энергии).
Эффект Комптона — основной механизм взаимодействия фотонов с веществом, который используется в современной лучевой терапии (ЛТ). Когда фотон пучка линейного ускорителя взаимодействует с электронами внешних атомных орбиталей, часть энергии фотона передается электрону в виде кинетической энергии. Фотон изменяет направление движения, его энергия уменьшается. Выброшенный электрон летит и, отдавая энергию, выбивает другие электроны.
Результатом такого запуска и развития эффекта накопления при облучении пучками фотонов с большой энергией, измеряемой в мегавольтах, служит низкий повреждающий эффект кожи, т. к. в поверхностных тканях при этом происходят минимальные изменения. Старые модели аппаратов не обеспечивали подобную защиту кожных покровов.
Фотоэлектрический эффект наблюдается при более низких энергиях и используется в аппаратах, применяющихся в диагностической рентгенологии. При этом взаимодействии налетающий фотон полностью поглощается электроном внутренней оболочки, и последний вылетает с кинетической энергией, равной энергии фотона за вычетом энергии, затраченной на соединение с ним. Электрон внешней оболочки «проваливается» на освободившееся место. Поскольку этот электрон меняет орбиту, приближаясь к ядру, его энергия уменьшается, а избыток освобождается в виде фотона, который называют характеристическим.
При образовании пар фотоны с энергией более 1,02 МэВ взаимодействуют с сильным электрическим полем ядра и теряют всю энергию столкновения. Энергия столкновения фотона переходит в вещество в форме позитрон-электронной пары. Если это происходит в поле электронной орбитали, то образуется три частицы и такое взаимодействие называют формированием триплета.
И последнее, при фотохимическом распаде фотон с большой энергией влетает в ядро и выбивает нейтрон, протон или а-частицу. Это явление указывает на необходимость создания защиты при установке линейных ускорителей, дающих энергию более 15 МэВ.
Прямое и непрямое действие радиации.
ДНК -мишень излучения, поражение которой наиболее часто приводит к летальному исходу, схематично показана в центре.
При прямом воздействии фотон отрывает электрон от молекулы-мишени (ДНК).
При непрямом механизме другая молекула, например вода, ионизируется, свободный электрон приближается к мишени и повреждает ДНК.
