Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора

Радиоактивное излучение Атомные реакторы и батареи

Ускорители

Источником рентгеновского излучения могут являться ускорители частиц. Если мишень бомбардировать протонами, ионами гелия или более тяжелыми ионами с энергией в несколько МэВ на нуклон, то мишень будет испускать рентгеновское излучение линейчатого спектра с очень слабым непрерывным излучением (контрастность характеристических линий такого рентгеновского излучения очень высокая). Для ускорения ионов используют электростатические генераторы или циклотроны. Тормозное излучение рентгеновского диапазона часто получают с помощью ускорителей электронов (см. ниже).

Источниками мощного рентгеновского излучения являются накопительные кольца синхротрона на энергию 0,6 – 1 Гэв с расположенными на них литографическими станциями (свыше 10 на каждом накопительном кольце). Такие источники создают высокую интенсивность и хорошую коллимацию рентгеновского излучения. Излучение рентгеновского диапазона, присутствующее в синхротронном излучении выделяют монохроматором и используют для различных целей. Оно на несколько порядков превосходит по интенсивности излучение рентгеновской трубки. Рентгеновская составляющая синхротронного излучения поляризована и распространяется только в плоскости кольца синхротрона. Вертикальная расходимость этого излучения очень мала.

Синхротрон - ускоритель электронов с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и постоянной частотой ускоряющего электрического поля. В синхротроне достигнуты энергии 20 ГэВ.

Синхротронное излучение – излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в магнитном поле, искривляющем их траектории. Впервые наблюдалось в синхротроне (отсюда название).

Уникальные свойства синхротронного излучения (широкий спектральный диапазон, большая мощность, высокая яркость источников, естественная поляризация излучения) объясняют большой интерес к его использованию для решения фундаментальных и прикладных задач. Центры синхротронного излучения, число которых сейчас во всем мире более 60, являются в последние годы одним из основных поставщиков новой научной информации в биологии, физике поверхности, физике твердого тела, материаловедении.

Еще более интенсивную рентгеновскую составляющую содержит ондуляторное излучение, которое на несколько порядков превосходит по интенсивности рентгеновскую составляющую синхротронного излучения; в этих случаях энергия рентгеновского излучения столь велика, что кристалл-анализатор, используемый в рентгеновской спектральной аппаратуре, нагревается до нескольких сотен градусов Цельсия и разрушается, если не приняты специальные меры защиты. Очень высокой интенсивностью обладает также рентгеновская составляющая переходного излучения.

Ондулятор – прибор, в котором создаются периодическое электрическое, магнитное или электромагнитное поля; проходя через ондулятор, заряженные частицы испускают ондуляторное излучение.

Ондуляторное излучение – излучение, испускаемое заряженными частицами (например, электронами) при движении их по периодически искривленной электрическим или магнитным полем траектории (синусоиде, спирали).

Представим, что биологическая система (суспензия клеток, вирусов, раствор макромолекул) получают энергию путем облучения не ионизирующим излучением, а другим путем, например, облучением инфракрасным излучением (нагреванием). В этом случае дозовая кривая (зависимость между количеством инактивированных макромолекул фермента и величиной поглощенной энергии) будет выглядеть по иному, чем на рис 1. До определенной температуры (@ 40° С) нагревания абсолютно все молекулы системы будут сохранять свою активность. При дальнейшем повышении температуры начинается инактивация молекул и при 80° С не останется ни одной непораженной молекулы (Рис.2). Как видно из этого рисунка, при нагревании в узком интервале температур (40 -80 °С) абсолютно все молекулы фермента инактивируются. Анализ рис. 1б рис. 2 свидетельствует о том, что решающее влияние на характер дозовой кривой оказывает не особенности облучаемых объектов, а способ сообщения энергии.

Рис.4. Инактивация рибонуклеазы  при нагревании раствора

В опытах по термоинактивации, энергия от источника тепла сообщается всем объектам более равномерно и одинаково за счет теплопроводности среды. В случае действия ионизирующего облучения, энергия сообщается дискретными порциями, и процесс передачи энергии носит статистический характер. В соответствии с теорией вероятности, отдельные компоненты облучаемой системы с определенной вероятностью поглощают энергию излучения, тогда как на определенные компоненты системы эта энергия не попадает. Представления о вероятностном характере попадания и распределения энергии на отдельные компоненты облучаемой системы, в совокупности с представлениями о механизмах взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, позволяют объяснить количественные закономерности, наблюдаемые в радиобиологических экспериментах.

Впервые гипотезу, объясняющую характер зависимости радиобиологических эффектов от получаемых доз, предложил Ф. Дессауэр. Он предположил, что большой радиобиологический эффект при ничтожном суммарном количестве поглощенной энергии обуславливается концентрацией энергии в малых объемах системы, приводя их к микролокальному разогреву. Вследствие этого гипотеза Ф. Дессауэра получила название гипотеза «точечного разогрева» или «точечного тепла». 

Основные положения гипотезы Дессауэра:

Кванты и частицы ионизирующей радиации обладают огромной энергией, величина которой значительно превосходит энергию химических связей.

Облучаемая живая система ( например, клетка, организм) состоит, с одной стороны, из менее важных (относительно безразличных) для жизнедеятельности, с другой, - весьма существенных для жизни этой системы микрообъемов и структур.

В облучаемой системе при поглощении относительно небольшого количества общей энергии, в отдельных случайных и редкорасположенных микрообъемах концентрируется настолько большие порции энергии, которые могут привести к локальным изменениям в структуре системы. Эти изменения вызванные концентрацией энергии ионизирующих излучений можно сравнить с изменениями при локальном разогреве этих микрообъемов.

Распределение «точечного тепла» является статистическим процессом. Конечный радиобиологический эффект зависит от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри живой системы.

При облучении живых систем невысокими дозами, вероятность попадания энергии в жизненно важные объемы низкая, и наоборот, с повышением дозы, эта вероятность повышается. Из этого следует, что даже самые маленькая доза радиации может вызвать, соответственно, с малой вероятностью и малой частотой, биологический эффект, но и при очень высоких дозах есть вероятность сохранения неповрежденных объектов.

 Основные положения гипотезы Дессауэра были использованы и получили дальнейшее развитие в работах Дж. Кроутера, Д.Ли, К. Уиммера, Н.В. Тимофеева-Ресовского. Гипотеза «точечного разогрева» впоследствии получила название «теория мишени». В соответствии с этой теорией, при интерпретации результатов радиобиологических экспериментов необходимо учитывать следующие физические принципы:

транспортировка энергии ионизирующих излучений и поглощение ее облучаемыми объектами происходит дискретно

акты взаимодействия квантов и частиц с молекулами, атомами (попадание) не зависят друг от друга и подчиняются Пуассоновскому распределению.

радиобиологический эффект наступает, если число попаданий в некоторую чувствительный объем системы  (мишень), равно определенному числу n.


На главную