2) ?+-частиц
3) ?-частиц или тяжелых ионов (+)
4) протонов
Наибольшей ионизационной способностью обладают альфа-частицы и другие тяжелые заряженные частицы, включая ядра углерода и более тяжелых элементов. Они интенсивно взаимодействуют с электронами вещества и формируют плотный трек ионизации. Количественно это характеризуется линейной передачей энергии (ЛПЭ, LET) — энергией, переданной излучением на единицу длины пробега; чем выше ЛПЭ, тем больше число ионных пар, образующихся вдоль траектории частицы.
Высокая ЛПЭ обусловлена большой массой и электрическим зарядом таких частиц: согласно закономерностям торможения заряженных частиц, потери энергии существенно возрастают с увеличением квадрата заряда. В конце пробега тяжелой частицы формируется пик Брэгга, где локальная передача энергии достигает максимума. Поэтому альфа-частицы и тяжелые ионы вызывают скопленные, пространственно близкие повреждения ДНК, включая множественные двунитевые разрывы, которые труднее репарируются и обладают большей биологической эффективностью.
Фотоны и электроны относятся к излучению с низкой ЛПЭ и создают преимущественно разреженную ионизацию. Протоны также формируют пик Брэгга и применяются в лучевой терапии, однако их ионизационная способность обычно ниже, чем у альфа-частиц и тяжелых ионов. В радиотерапии это различие учитывают при выборе метода облучения, оценке относительной биологической эффективности и планировании защиты критических органов.
| Вид излучения | Физическая природа | ЛПЭ и плотность ионизации | Распределение дозы | Клиническое значение |
|---|---|---|---|---|
| Фотоны | Электромагнитное излучение | Низкая ЛПЭ, разреженные ионизационные события | Постепенное ослабление дозы, выраженная входная доза | Наиболее распространенный вид внешнего облучения |
| Электроны (β-частицы) | Поток электронов или позитронов | Низкая ЛПЭ | Ограниченная глубина проникновения, быстрое снижение дозы | Лечение поверхностно расположенных опухолей |
| Протоны | Положительно заряженные ядра водорода | Средняя ЛПЭ, возрастающая к концу пробега | Выраженный пик Брэгга с малой дозой за ним | Снижение дозы за опухолью при протонной терапии |
| Альфа-частицы | Ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона | Очень высокая ЛПЭ, плотная ионизация | Короткий пробег, локальный пик передачи энергии | Высокая биологическая эффективность; важны для радионуклидной терапии |
| Тяжелые ионы | Ядра углерода и других тяжелых элементов | Высокая ЛПЭ, особенно в области пика Брэгга | Точная глубинная локализация дозы с фрагментационным хвостом | Перспективны при радиорезистентных опухолях |
| Биологический эффект высоко-ЛПЭ излучения | Плотное пространственное распределение повреждений | Больше кластерных и сложных повреждений ДНК | Меньшая зависимость от кислородного эффекта и репарации | Повышенная относительная биологическая эффективность |
Высокая ионизационная способность не тождественна максимальной глубине проникновения: альфа-частицы передают энергию очень интенсивно, но проходят лишь небольшое расстояние. Для тяжелых ионов принципиально важна комбинация высокой ЛПЭ и пика Брэгга, позволяющая концентрировать дозу в опухоли. При этом повышенная биологическая эффективность требует особенно точного расчета дозы и учета повреждения окружающих нормальных тканей.