Начало >> Статьи >> Архивы >> Авторадиография

Бета-частицы - Авторадиография

Оглавление
Авторадиография
Области применения авторадиографии
Радиоактивные изотопы
Авторадиография в сравнении с другими методами обнаружения ионизирующих излучений
Ядерные фотоэмульсии и фотографический процесс
Кристаллы бромистого серебра
Желатин
Скрытое изображение
Проявление скрытого изображения
Физическое проявление
Фиксирование эмульсии
Специальные методики
Цветные эмульсии
Воздействие ионизирующего излучения на ядерные эмульсии
Бета-частицы
Другие виды ионизирующего излучения
Разрешающая способность авторадиографии
Факторы, определяющие разрешающую способность зернистых авторадиограмм
Разрешение в электронномикроскопической авторадиографии
Разрешающая способность трековых авторадиограмм
Эффективность авторадиографии
Эффективность при электронномикроскопической авторадиографии
Эффективность трековой авторадиографии
Эффективность макроскопической авторадиографии
Соотношение между факторами, определяющими разрешение и эффективность
Фон авторадиограмм
Хемография
Облучение внешними источниками
Уничтожение фона
Измерение фона
Микроскопия и микрофотография авторадиограмм
Оптическая система для освещения в темном поле
Микрофотография зернистых авторадиограмм
Исследование в темном поле
Исследование и фотографирование трековых авторадиограмм
Относительные измерения радиоактивности
Перекрестные эффекты
Факторы связанные с эмульсией и влияющие на относительные измерения
Относительные измерения в трековой авторадиографии
Счет зерен и треков
Фотометрическая оценка плотности зерен
Выбор визуального или фотометрического метода счета зерен
Необходимость абсолютных измерений
Абсолютные измерения радиоактивности с помощью трековой авторадиографии
Планирование и осуществление авторадиографических исследований
Выбор эмульсии
Эксперименты с двумя изотопами
Освоение новой методики
Контрольные процедуры, необходимые для каждого эксперимента
Проектирование и оборудование темной комнаты
Гистологическая техника и авторадиография
Выбор способа гистологической фиксации
Методика приготовления гистологических срезов
Непроницаемые пленки
Приготовление авторадиограмм для микроскопии
Авторадиография растворимых радиоизотопов
Способы авторадиографии растворимого материала
Хемография и артефакты от давления
Количественные исследовани растворимых радиоактивных изотопов
Методика съемной эмульсии
Недостатки методики съемной эмульсии
Подробное описание методики  съемной эмульсии
Методики жидкой эмульсии для авторадиографии с оценкой плотности зерен
Факторы, влияющие на толщину эмульсионного слоя
Выбор подходящей толщины эмульсии
Оценка и описание методики жидкой эмульсии для авторадиографии с оценкой плотности зерен
Методика жидкой эмульсии для трековой авторадиографии
Авторадиография с электронной микроскопией
Ограничения современных методик
Детальное описание методик
Авторадиография макроскопических объектов
Авторадиография  в макроскопических образцах
Описание методик авторадиографии макроскопических объектов
Послесловие

β-Частицы — электроны, возникающие при β-распаде атомных ядер. У β-частиц такая же, что и у электронов, масса, тот же единичный отрицательный заряд.

Рис. 6. Микрофотография селезенки человека. Пациенту 14 лет назад сделали внутривенную инъекцию соединения тория; видны кристаллические отложения солей тория с исходящими из них многочисленными α-треками. Окрашенный гематоксилином по методу Гарриса образец был погружен в эмульсию Ilford G5 (X170). Фотография сделана при комбинированном проходящем и падающем освещении.
Испускание β-частиц из ядра—наиболее распространенный процесс, в результате которого искусственно возбужденные радиоактивные ядра переходят в стабильное состояние, и большинство радиоизотопов, представляющих интерес для биологов, относится к группе β-излучающих.
В отличие от α-частиц β-частицы, испускаемые данным изотопом, обладают неодинаковой начальной энергией, которая изменяется от некоторой максимальной величины до нуля. Для каждого изотопа характерна величина максимальной энергия Емакс. Форма энергетического спектра также различна у разных изотопов. У некоторых изотопов, например фосфора-32, он имеет колоколообразную форму, причем относительное количество β-частиц вблизи границ энергетического спектра невелико, а между ними обнаруживается пик; у других изотопов, например кальция-45, спектральная кривая плавно падает от максимальной величины в области низких энергий до минимума при максимальной энергии β-спектра. Некоторые примеры β-спектров приведены на рис. 7. Для подсчета энергии β-спектра изотопов удобно использовать данные Маршалла [1].

Диапазон максимальных энергий β-частиц гораздо шире, чем у α-частиц: у трития Емакс=18,5 кэв, тогда как у некоторых изотопов эта величина превышает 3 Мэв. Очевидно, длина β-треков различается в значительно большей степени, чем длина треков α-частиц.
Это различие еще более резко выражено, если рассматривать особенности прохождения β-частицы через вещество.

Рис. 7. Энергетические спектры β-нзлучающих изотопов:
углерода-14 (Емакс—155 кэв), фосфора-32(Емакс=1,7 Мэв); трития (Емакс=18,5 кэв).
Имея одинаковые с орбитальным электроном массу и заряд, β-частица может сообщать ему энергию, достаточную для того, чтобы удалить его с орбиты, причем сама β-частица также будет отклонена с первоначальной траектории. Взаимное отталкивание между β-частицей и электронами, около которых она проходит, является основной причиной потери ею энергии. Такое взаимодействие сопровождается большим количеством малых отклонений от первичной траектории, дающих иногда в итоге извилистый пробег, а иногда, в случае суммирования взаимно погашающих друг друга отклонений, приближающих пробег к прямой линии (рис. 8). Очень редко во время столкновения β-частицы и электрона последний получает энергию, достаточную для того, чтобы образовать легко распознаваемый трек δ-электрона. Там, где возникает δ-электрон, β-частица резко изменяет направление траектории и теряет значительное количество энергии на образование δ-электрона: треки расходятся фактически на 90°, причем более короткий из них считают обрадованным δ-электроном.        
β-Частица может также терять энергию большими порциями, проходя вблизи атомного ядра. Положительный заряд ядра ускоряет β-частицу по мере ее приближения, заставляет ее изменить направление и тормозит при ее удалении.

Рис. 8. Микрофотография β-трека, зарегистрированная в эмульсии Ilford G5.
В начале трека зерна расположены довольно далеко друг от друга; в середине они меньше в диаметре; легко различимы более плотно расположенные и более крупные зерна в конце трека. Очень острый угол между двумя частями трека соответствует взаимодействию с ядром; несколько других ядерных взаимодействий имели место в последней четверти трека. Начальная энергия частицы около 190 кэв (Х700).
Энергия, потерянная β-частицей в этом процессе, проявляется в виде тормозного рентгеновского излучения, которое не регистрируется эмульсией в виде различимых треков. Но эффект такого взаимодействия, насколько его можно зарегистрировать в эмульсии, выражается во внезапном и часто значительном изменении направления траектории, остром угле рассеяния, который обычно отличается от плавных траекторий, которые наблюдаются при взаимодействии β-частицы с орбитальными электронами (см. рис. 8). Скорость потери энергии β-частицами намного ниже аналогичной величины для α-частиц, поэтому длина пробега β-частиц в эмульсии намного больше.
Термин «пробег» в литературе используется по крайней мере в двух смыслах. В некоторых случаях под пробегом подразумевают полное («от точки к точке») расстояние, которое прошла β-частица, а в других—расстояние, на которое она удалилась от источника. Так как β-частица при полете может несколько раз изменять направление на обратное, то ее трек получается извилистым и значения пробега в двух вышеуказанных смыслах могут сильно различаться. Чтобы избежать путаницы, пробег в первом смысле лучше всего называть длиной трека, а меру проникновения β-частицы в вещество — трековым радиусом, поскольку последняя величина представляет собой радиус сферы вокруг источника, в пределах которой полностью расположен трек; очевидно, радиус не может быть больше длины трека.
Длина трека β-частицы с начальной энергией 20 кэв в эмульсии Ilford G5 составляет около 3 мкм, а β-частицы с начальной энергией 6 Мэв— около 10 мм. Для β-частицы с энергией 6 Мэв соответствующая величина равна 26 мкм. Очевидно, интенсивность энергетических потерь настолько ниже для β-частиц по сравнению с α-частицами, что трудно предполагать сколько-нибудь сравнимые плотности скрытых изображений вдоль их траекторий. В самом деле, β-частица может пройти через множество кристаллов, не потеряв ни в одном из них энергию, достаточную для образования скрытого изображения. Некоторые кристаллы приобретут ту минимальную энергию, которая придает им способность быть проявленными; другим же будет передано значительное количество энергии, и образованное здесь количество металлического серебра во много раз превысит тот минимум, который требуется для проявления. Таким образом, в треке β-частицы в ядерной эмульсии будут присутствовать как крупные, так и мелкие зерна серебра, сопровождаемые многочисленными разрывами. Трек никогда не является прямым, ему всегда присущи небольшие отклонения, которые иногда сопровождаются резкими изменениями направления (при ядерных взаимодействиях), а иногда и разветвлениями (при рождении δ-электрона). Распределение крупных и мелких зерен, как и разрывов между ними, носит более или менее случайный характер, и могут встретиться участки с плотным расположением зерен и со значительными разрывами между ними (см. рис. 8, 9 и 14).
Однако распределение зерен вдоль трека не вполне хаотично. Как видно из рис. 8 и 9, существует определенная тенденция к более плотному распределению крупных зерен в конце трека; эта часть трека обычно и более извилиста. Оба эти явления имеют одну и ту же причину. В широком диапазоне энергий — свыше 500 кэв — скорость потерь энергии β-частицы приблизительно постоянна. По мере замедления частицы с энергией ниже 500 кэв скорость энергетических потерь возрастает, сначала медленно, а затем быстрее, пока не достигнет в конце трека максимального значения, которое примерно в 8 раз выше, чем при энергии 500 кэв. Поэтому количество и размер скрытых изображений будут с неизбежностью возрастать к концу трека.
Чем выше чувствительность эмульсии, тем большее число зерен будет регистрироваться на 1 мкм трека. Эмульсии с относительно низкой чувствительностью способны зарегистрировать лишь последние несколько микронов трека, где интенсивность энергетических потерь высока; но в начале трека, когда частица обладает высокой энергией и медленно ее теряет, эмульсия может зарегистрировать только несколько сильно разбросанных зерен, которые не образуют непрерывного трека. Аналогично проявление эмульсии приобретает особое значение для регистрации высокоэнергетических частиц.

Рис. 9. Часть трека β-частнцы, зарегистрированная в эмульсии Ilford G5.
Кажется, что и конце трек раздвоился, причем оба конечных трека характеризуются крупными, тесно расположенными зернами серебра Такая картина соответствует взаимодействию с орбитальным электроном, который в итоге приобрел энергию, достаточную для воспроизведения распознаваемого трека. Условно можно принять, что более длинный след соответствует β-частице, а более короткий — орбитальному электрону, т. е. δ-частице (Х700).

При использовании сильнодействующих проявителей большее количество скрытых изображений превращается в видимые зерна в треке. Но в это же время будет возрастать количество зерен фона, что приведет к повышению плотности зерен в треке, необходимой для его идентификации.
По сравнению с α-частицами β-частицы намного труднее поддаются регистрации. С методической точки зрения для этой цели требуются значительно более чувствительные эмульсии и более строгий контроль условий проявления. Треки β-частнц, имеющие большую длину и неправильную форму, трудно идентифицировать и использовать для точной локализации источника этих частиц. Невозможно установить, когда β-частица вошла в эмульсию, т. е. является ли наблюдаемый трек полным следом β-частицы или рентгеновского излучения с энергией в диапазоне нескольких кэв или он представляет собой конечный участок следа частицы, обладавшей намного большей начальной энергией. Многие из этих трудностей связаны со свойствами самих β-частиц и поэтому не могут быть устранены.
В настоящее время изучены основные факторы, определяющие регистрацию β-частиц в ядерных эмульсиях. Заиас и Росс [2], Леви и др. [3] представили основные экспериментальные данные, относящиеся к β-частицам с начальной энергией ниже 400 кэв, причем следует отметить хорошее согласие данных этих двух работ.
Леви с соавторами предложили уравнения, описывающие основные характеристики β-частиц в этом диапазоне энергий. Длина трека в эмульсии Ilford G5 связана с начальной энергией частицы соотношением

где L — средняя длина трека, мкм; Е — начальная энергия, кэв.
При проявлении в условиях плато количество зерен, образуемое β-частицами, зависит от начальной энергии последних:

где G — среднее количество проявленных зерен на трек (рис. 10).
Соотношение между количеством зерен в треке и его длиной выражается уравнением (рис. 11):

Существует значительный разброс длины трека и числа зерен в треке вокруг этих средних значений, причем коэффициент вариации в обоих случаях составляет примерно 20%.
С помощью этих данных можно рассчитать вероятную начальную энергию β-частицы, исходя либо из длины трека в эмульсии Ilford G5, либо из количества зерен в треке. Эти соотношения в суммарном виде представлены на рис. 12.
Такой параметр, как радиус трека, т. е. минимальный радиус сферы, которая имеет центром начало трека β-частицы и в пределах которой содержатся все зерна в треке, подвержен намного большим колебаниям. Это, вероятно, связано с характерной крайне неправильной формой трека, образуемого β-частицами. В более узком диапазоне начальных энергий — от 20 до 150 кэв соотношение между длиной трека и его радиусом можно выразить следующим образом (рис. 13):

Таким образом, можно рассчитать радиус сферы вокруг точечного источника, в пределах которой находится определенная часть треков, исходящих от источника.


Рис. 10. Соотношение между числом зерен в треке β-частицы и ее начальной энергией [3]:
○ —β-треки, зарегистрированные в эмульсии Ilford G5; ●—средние значения для групп β-частиц, полученные в эмульсии Kodak NTB-4.

Рис. 11. Соотношение между числом зерен в β-треке и расстоянием между соседними зернами в треке, наблюдаемое для эмульсии Ilford G5 с точно восстановленной первоначальной толщиной [3]:О — изотоп С136: + — изотоп Са45.

Например, сфера радиусом 20 мкм будет полностью содержать 90% треков, испускаемых точечным источником С14. Остальные 10% треков в эмульсии Ilford G5 будут находиться за пределами этой сферы. Радиус соответствующей сферы вокруг точечного источника Са45 составляет 45 мкм.

Рис. 12. Количество зерен в треке β-частицы как функция расстояния между соседними зернами в треке, а также начальной энергии частицы:
О — отдельные треки частиц, зарегистрированных в эмульсии Ilford G5;
------------------  средние значения и интервал для 95%-ной доверительной
вероятности из подобных измерений Зайаса и Росса, выполненных для моноэнергетических электронов с эмульсией Kodak NTB [3].
Если обратиться к отдельным зернам серебра, которые образованы β-частицами, испускаемыми во все стороны точечным источником С14, то окажется, что 29% из них расположены в пределах радиуса 5 мкм, 50%—в пределах 9 мкм, 75%—в пределах 17 мкм и 90% — в пределах 25 мкм.
Измерение радиоактивности, выражаемой количеством распадов, которые произошли в источнике за время экспозиции, представляет собой трудную задачу и будет детально описано в гл. 9. Однако ясно, что, обладая большим объемом информации о поведении β-частиц в эмульсии Ilford G5, можно подсчитать количество треков или даже количество отдельных зерен серебра в пределах определенного объема эмульсии и, используя эти данные, оценить скорость распада в меченом источнике, который расположен на известном расстоянии от изучаемого объема. Не следует излишне увлекаться высказываниями в том смысле, что ядерные эмульсии представляют собой универсальную, чувствительную и надежную среду для регистрации заряженных частиц. Биологам с трудом удается в полной мере использовать возможности этого детектора, очевидные из того, насколько сложные измерения с помощью подобной техники проводятся физиками [4—6].

Рис. 13. Соотношение между трековым радиусом и расстоянием между соседними зернами в треке для β-частиц С14.
Трековый радиус определяется как радиус сферы наименьшего диаметра, центр которой находится в месте расположения первого зерна и и пределах которой заключены псе остальные зерна. Это соотношение подвержено значительным колебаниям и зависимости от начальной энергии частицы, поэтому значения, полученные для С14, не следует распространять на другие изотопы с различной максимальной энергией [31,
Кроме используемых в эксперименте β-излучателей, обычно приходится иметь дело с фоном β-частиц от сторонних источников. Изотоп естественного происхождения — К40 встречается в составе стеклянной подложки, а С14 присутствует в желатине эмульсии. Дополнительные источники фонового ионизирующего излучения также могут дать вклад в виде δ-частиц или треков вторичных электронов.

γ-ИЗЛУЧЕНИЕ

Можно сделать лишь небольшое добавление к сказанному выше.
γ-Излучение обнаруживают только по наличию редких вторичных электронов, образующих фоновые зерна, а иногда и треки, неотличимые от следов β-частиц.
Если речь не идет о работе с макроскопическими образцами, то γ-излучение представляет собой лишь источник дополнительного фона.
Очевидно, для проведения работ такого рода требуются высокочувствительные эмульсии с крупными кристаллами, дающие максимальное почернение под воздействием падающего излучения. Во многих случаях можно существенно увеличить эффективность регистрации γ-излучения, поместив между эмульсией и исследуемым препаратом слой материала с высоким атомным номером, например свинца. Такой материал, обладающий высокой плотностью, оказывает усиливающее действие, поскольку благодаря ему увеличивается вероятность образования γ-излучением вторичных электронов, которые и регистрируются в эмульсии.



 
« Автоматизированный мониторинг больных сахарным диабетом детей и подростков   Актуальные проблемы низкорослости у детей »