Протонів ВИПРОМІНЮВАННЯ - іонізуюче випромінювання, що складається з важких заряджених частинок - протонів. П. і. використовують в фізичних і радіобіологічних дослідженнях, застосовують для променевої терапії, в діагностичних цілях, а також для виробництва радіоактивних нуклідів.
Протон - стабільна елементарна частинка з позитивним електричним зарядом, рівним заряду електрона, і масою, що перевищує масу електрона приблизно в 1840 разів. Тому протон відноситься до так зв. важким частинкам. Протони разом з нейтронами (див. Нейтронні випромінювання) утворюють ядра атомів усіх хімічних. елементів. У зв'язку з цим їх називають також нуклонами, т. Е. Ядерними частинками. Протон є ядром найлегшого і найбільш поширеного в природі ізотопу водню. В результаті іонізації (див.) Атом водню, втрачаючи свій єдиний електрон, перетворюється в протон. Протони є і в складі первинної компоненти космічного випромінювання (див.).
Генерують П. і. іонізуючи водень, прискорюючи і збираючи за допомогою електричних і магнітних полів утворюються при цьому протони. У протонних прискорювачах (див. Прискорювачі заряджених частинок) отримують пучки протонів з енергіями від 50 до 1000 МеВ для мед. цілей і від 15 до 70 МеВ - для виробництва радіонуклідів.
Мал. 1. Схема медичного протонного комплексу фізичного прискорювача: 1 - протонний прискорювач, 2 - виведений протонний пучок, 3 - тормозітель, 4 - поворотний магніт, 5 - магнітні фокусують лінзи, 6 - вакуумний тракт, 7 - апаратура для формування і вимірювання пучка, 8 - стенд для опромінення хворого, 9 - захисні бар'єри; I - зона протонного прискорювача, II - фізико-технічна зона, III - медико-біологічна зона.
Для мед.-біол, цілей зазвичай використовують протонні пучки, створювані на великих фізичних прискорювачах. Виведений з прискорювача пучок протонів за допомогою поворотних магнітів, які змінюють його напрямок, і магнітних лінз очищають від сторонніх часток і квантів і по вакуумному тракту направляють в процедурне приміщення, обладнане юстувальні і контрольно-вимірювальною апаратурою, спеціалізованим мед. стендом і засобами автоматичного управління опроміненням (рис. 1). У разі необхідності значно знизити енергію виведеного з прискорювача пучка перед поворотним магнітом ставлять тормозітель. За допомогою поворотного магніту пучок протонів можна направляти за кількома вакуумним трактах в різні процедурні помещенія.- На виході протонного тракту формують вузький (з площею поперечного перерізу до декількох квадратних сантиметрів) або широкий (близько 10 10 2 см 2) пучок відповідно до форми і розмірами підлягає опроміненню мішені (див. Протонна терапія).
Проходячи через речовину, протони беруть участь у всіх видах елементарних взаємодій. Вони іонізують молекули й атоми, розсіюються на ядрах. При досить високій енергії протони можуть проникати всередину ядер атомів і приводити до ядерних реакцій, в результаті яких з'являються вторинні частки (нейтрони, альфа-частинки, фотони і ін.), А також штучні радіоактивні нукліди. При енергіях 102-103 МеВ протони слабо розсіюються і рухаються майже прямолінійно, втрачаючи свою енергію переважно на іонізацію. При опроміненні біол, тканин протонами з енергіями 200-1000 МеВ наведенаактивність від ядерних взаємодій невелика, і її внесок в поглинену дозу практично несуттєвий.
На відміну від фотонів рентгенівського і гамма-випромінювання, протони мають певний пробіг в даній речовині, залежить від його щільності і елементного складу, а також від енергії П. і. В кінці пробігу втрата енергії (див. Лінійна передача енергії) на іонізацію різко зростає.
Це пояснюється тим, що на початку пробігу в речовині високоенергетичні протони втрачають в елементарних актах іонізації енергію, дуже малу в порівнянні з наявним у них запасом. Тому їх іонізаційна здатність змінюється з глибиною незначно до тих пір, поки сумарна втрата енергії не призведе до значного зменшення швидкості частинок. Тоді підвищується ймовірність іонізації атомів, з до-римі зустрічаються протони на своєму шляху, і це призводить до різкого зростання лінійної втрати енергії. Крива розподілу поглиненої енергії протонів по глибині має різкий максимум в кінці пробігу - крива Брегга (див. Іонізуючі випромінювання). Для протонного пучка характерно незначне бічне розсіювання.
Мал. 2. Крива розподілу поглиненої дози уздовж осі паралельного протонного пучка з енергією 130 МеВ (крива Брегга) в воді: 1 - для моноенергетичного пучка; 2 - для пучка, сформованого за допомогою гребінчастого фільтра. По осі абсцис - пробіг протонів в сантиметрах, по осі ординат - процентна поглинена доза.
Мал. 3. Схема ротаційного скануючого опромінення протонним пучком пухлини стравоходу: 1 - протонний пучок, 2 - основний коллиматор, 3 - чистовий коллиматор, 4 - тормозітель змінної товщини, 5 - гребінчастий фільтр, який формує ширину піку Брегга, 6 - внутриполостной детектор, введений в стравохід , 7 - ротаційний стенд; X, У, Z, а - напрямки, за якими автоматично переміщається крісло з хворим по командам керуючої опроміненням електронно-обчислювальної машини.
Завдяки цим властивостям П. і. в опромінюється тілі можна отримувати високий градієнт дози в кінці пробігу і на кордонах поля опромінення, що особливо вигідно для запобігання здорових тканин, що оточують мішень, від променевого ушкодження. Зону піку Брегга можна легко переміщати в тілі хворого по глибині для її поєднання з підлягає опроміненню мішенню. Цього досягають, змінюючи енергію протонного пучка або товщину додаткового гальмуєте ля, поміщеного на шляху пучка. За допомогою спеціально підібраних формують (так зв. Гребінчастих) фільтрів можна змінювати і форму кривої Брегга, розширюючи сферу її максимуму відповідно до розміру мішені (рис. 2). Змінюючи положення хворого під час опромінення і регулюючи товщину гальмуєте ля так, щоб пік Брегга весь час опинявся в пухлини, забезпечують більш низьку поглинену дозу в оточуючих тканинах. При опроміненні великих пухлин, крім того, переміщують хворого уздовж осі ротації, по черзі підставляючи під пучок різні ділянки мішені. Керують таким ротаційно-сканирующим опроміненням (рис. 3) за допомогою ЕОМ.
У вузьких пучках протонів пік Брегга виражений слабо, тому їх частіше використовують в режимі опромінення «безперервно», коли пік Брегга виявляється за межами опромінюється тіла.
Радіобіологічного П. і. практично мало відрізняється від фотонних випромінювань. Значення відносної біологічної ефективності (див.) П. і. високих енергій, отримане в експерименті по опроміненню різних об'єктів з використанням різних критеріїв, становить 1 1,2. При опроміненні аноксічних тканин дію протонів практично не відрізняється від дії фотонних випромінювань (див. Кисневий ефект).
У проектах мед.-біол, комплексів, створюваних на базі реконструйованих і нових фізичних прискорювачів, передбачають висновок декількох спеціалізованих пучків протонів (горизонтальних, вертикальних) для радіобіології. досліджень, променевої терапії, а також для протонографіческіх досліджень в діагностичних цілях.
Бібліографія: Гольдін Л.Л. та ін. Застосування важких заряджених частинок в медицині, Усп. фіз. наук, т. 110, ст. 1, с. 77, 1973, бібліогр .; Використання протонних пучків в променевої терапії, Праці 1-го Міжнародного семінару, в. 1-3, М. 1979; Munzenrider J. D. Shipley W. U. a. Ver-hey L. J. Future prospects of radiation therapy with protons, Sem. Oncol. v. 8, p. 110, 1981, bibliogr .; Raju M. R. Heavy particle radiotherapy, N. Y. a. o. 1980.
М. Ш. Вайнберг, Б. В. Астрахан.