Ионизирующие излучения

Ионизирующие  излучения

Источники и область применения ионизирующих излучений

Развитие  ядерной энергетики и широкое  применение источников ионизирующих излучений (ИИ) в различных областях науки и техники создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами.

Основными нормативными документами, регулирующими  радиационную безопасность, являются:

· ГН 2.6.1.054-99. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99);

· ОСП-72/87. Основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений;

· федеральный  закон “О радиационной безопасности населения” (№ 3-ФЗ от 9 января 1996 года).

Радиация (от латинского слова radiatio - излучение) характеризуется лучистой энергией. Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся при ядерных превращениях, т.е. в результате радиоактивного распада. Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское и гамма-излучение, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов. Ионизирующее излучение прямо или косвенно вызывает ионизацию среды, т.е. образование заряженных атомов или молекул - ионов.

Альфа-частицы  имеют незначительный пробег (данные пробега альфа-частиц приведены в зависимости от энергии.):

· в воздухе - до 11 см;

· в биологических  тканях - 30-130 мкм;

· в алюминии - 16-69 мкм.

Бета-частицы  обладают большей проникающей и  меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы.

Пробег  бета-частиц составляет:

· в воздухе  несколько метров;

· в биологических  тканях – несколько сантиметров;

· в алюминии – несколько миллиметров.

Важнейшим свойством рентгеновского излучения  является его большая проникающая  способность.

Источниками ИИ могут быть природные и искусственные  радиоактивные вещества, различного рода ядерно-технические установки, медицинские препараты, многочисленные контрольно-измерительные устройства (дефектоскопия металлов, контроль качества сварных соединений). Они используются также в сельском хозяйстве, геологической разведке, при борьбе со статическим электричеством и др.

Специалисты и другие работники могут сталкиваться с ионизирующими излучениями при выполнении работ на ускорителях заряженных частиц (синхрофазотронах), а также на атомных электростанциях, урановых рудниках и др.

Некоторые характеристики основных радиоактивных  элементов представлены в таблице 3.

Таблица 3

Характеристики  основных радиоактивных элементов

Название элемента	Характеристика элемента и меры предосторожности	Период  полураспада
1	2	3
Радон-222	Газ, испускающий альфа-частицы. Постоянно образуется в горных породах. Газ опасен при накоплении в шахтах, подвалах, на 1 этаже. Необходима вентиляция (проветривание).	3,8 суток
Ксенон-133	Газообразные изотопы. Постоянно  образуются и распадаются в процессе работы атомного реактора. В качестве защиты используют изоляцию.	5 суток
Йод- 131	Испускает бета-частицы и гамма-излучение. Образуется при работе атомного реактора. Накапливается в щитовидной железе человека. В качестве защиты от внутреннего облучения применяют “йодную диету”, т.е. вводят в рацион человека стабильный йод.	8 суток
Криптон-85	Тяжёлый газ, испускающий бета-частицы  и гамма излучение. Входит в состав отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при их хранении. Защита в использовании изолированных помещений.	10 лет
Стронций-90	Металл, испускающий бета-частицы. Основной продукт деления в радиоактивных отходах. Накапливается в костных тканях человека. Защита, прежде всего, в контроле пищи и т.п.	29 лет
Цезий- 137	Металл, испускающий бета-частицы  и гамма-излучение. Накапливается в клетках мышечной ткани. Защита, прежде всего, в контроле пищи и т.п.	30 лет
Радий- 226	Металл, испускающий гамм-аизлучение, альфа и бета-частицы. Защита укрытия  и убежища.	1600 лет
Углерод-14	Испускает бета-частицы. Естественный природный изотоп углерода. Используется при определении возраста археологического материала.	5500 лет
Плутоний-239	Испускает альфа-частицы. Содержится в  радиоактивных отходах. Защита качественное захоронение радиоактивных отходов.	24000 лет
Калий- 40	Испускает бета-частицы и гамма-излучение. Содержится и замещается (выводится) во всех растениях и животных.	1,3 млрд. лет

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение высокой частоты и короткой длиной волны, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов. Важнейшим свойством рентгеновского излучения является его большая проникающая способность. Рентгеновские лучи могут возникать в рентгеновских трубках, электронных микроскопах, мощных генераторах, в выпрямительных лампах, электронно-лучевых трубках и др.

Гамма-излучение  относится к электромагнитному  излучению и представляет собой поток квантов энергии, распространяющихся со скоростью света. Они обладают более короткими длинами волн, чем рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через тело человека и другие материалы без заметного ослабления и может создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Нейтронное  излучение - это поток нейтральных  частиц. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных  реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии нейтроны условно делятся на: быстрые; сверхбыстрые; промежуточные; медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работе ускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные потоки быстрых и тепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения.

Единицы измерения радиоактивности и  доз облучения

Вещества, способные создавать ионизирующие излучения, различаются активностью (А), т.е. числом радиоактивных превращений в единицу времени. В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду (распад/с). Эта единица получила название беккерель (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки), равная активности нуклида, в котором происходит 3,7 * 1010 актов распада в одну секунду, т.е.

1 Ки = 3,7 * 1010 Бк.

Единице активности кюри соответствует активность 1 г радия (Ra). Для характеристики ионизирующих излучений введено  понятие дозы облучения. Различают три дозы облучения: поглощённая, эквивалентная и экспозиционная.

Степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависят от величины поглощённой энергии излучения или поглощённой дозы (Дпогл).

Поглощенная доза - энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощённой дозы облучения принят грей (Гр), определяемый как джоуль на килограмм (Дж/кг). Соответственно:

1 Гр = 1 Дж/кг.

В радиобиологии  и радиационной гигиене широкое  применение получила внесистемная единица поглощённой дозы - рад.

Рад - это  такая поглощённая доза, при которой  количество поглощённой энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения.

Соразмерность грея и рада следующая: 1 Гр = 100 рад.

В связи  с тем, что одинаковая поглощённая  доза различных видов ионизирующего  излучения вызывает в единице  массы биологической ткани различное  биологическое действие, введено  понятие эквивалентной дозы (Дэкв), которая определяется как произведение поглощённой дозы на средний коэффициент качества действующих видов ионизирующих излучений. Коэффициент качества (Ккач) характеризует зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека от способности ионизирующего излучения различного вида передавать энергию облучаемой среде (табл. 4). По существу, биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, сравниваются с эффектом от рентгеновского излучения.

Таблица 4

Значения  Ккач для разных видов ионизирующего  излучения

Вид излучения	Коэффициент качества (Ккач)
Рентгеновское и гамма-излучения Электроны и позитроны, бета-частицы Протоны Нейтроны тепловые Нейтроны быстрые Альфа-частицы и тяжёлые  ядра отдачи	1 1 10 3 10 20

В качестве единицы измерения эквивалентной  дозы в системе СИ принят зиверт (Зв).

Зиверт - эквивалентная доза любого вида ионизирующего  излучения, поглощённая 1 кг биологической  ткани и приносящая такой же биологический эффект (вред), как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Существует также внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирующего излучения - бэр (биологический эквивалент рентгена). При этом соразмерность следующая:

Дэкв = Дпогл * Ккач или 1 Зв = 1 Гр * Ккач ;

1 Зв = 100 рад * Ккач = 100 бэр. 

Для оценки эквивалентной дозы, полученной группой  людей (персонал объекта народного хозяйства, жители населённого пункта и т.п.), используется понятие коллективная эквивалентная доза (Дэкв.к.) - это средняя для населения доза, умноженная на численность населения (в человеко-зивертах).

Понятие экспозиционная доза (Дэксп) служит для  характеристики рентгеновского и гамма-излучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе фотонного излучения, при котором в 1 кг атмосферного воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл). Соответственно:

Дэксп = Кл/кг.

Внесистемной  единицей экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген (Р). При этом соразмерность следующая:

1 Р = 2,58 * 10-4 Кл/кг или 1 Кл/кг = 3,88 * 103 Р.

Поглощённая, эквивалентная и экспозиционная дозы, отнесённые к единице времени, носят название мощности соответствующих  доз. Например:

· мощность поглощённой дозы (Рпогл) -- Гр/с или  рад/с;

· мощность эквивалентной дозы (Рэкв) -- Зв/с  или бэр/с;

· мощность экспозиционной дозы (Рэксп) -- Кл/(кг * с) или Р/с.

Для упрощенной оценки информации по однотипному ионизирующему излучению можно использовать следующие соотношения:

· 1 Гр (100 рад) = 100 бэр = 100 Р = 1 Зв (с точностью  до 10-15%);

· радиоактивное  загрязнение плотностью 1 Ки/м2 эквивалентно мощности экспозиционной дозы 10 Р/ч, или мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения 1 Р/ч соответствует загрязнению в 10 мкКи/см2.

Биологическое действие ионизирующих излучений и  способы защиты от них

Различают два вида эффекта воздействия  на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте, негативные последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом - у его потомства.

Соматические  эффекты могут быть ранними или  отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

При изучении действия излучения на организм были выявлены следующие особенности:

1. Высокая  эффективность поглощённой энергии,  даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2. Наличие  скрытого (инкубационного) периода  проявления действия ионизирующих  излучений.

3. Действие  от малых доз может суммироваться  или накапливаться.