Воздействие облучения

 

Для описания влияния ионизирующих излучений на вещество используются следующие понятия и единицы  измерения : Активность радионуклида в источнике (А). Активность равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt) :

A = dN/dt

 

Единица активности в системе  СИ - Беккерель (Бк). Внесистемная единица - Кюри (Ки).

Число радиоактивных ядер N(t) данного изотопа уменьшается со временем по закону:

 

N(t) = N₀ exp(-tln2 / T_1/2) = N₀ exp(-0.693t / T_1/2)

 

где N_o - число радиоактивных ядер в момент времени t = 0, Т_1/2 -период полураспада - время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Массу m радионуклида активностью А можно рассчитать по формуле :

 

m = 2.4*10^-24 M T_1/2 A

 

где М - массовое число радионуклида, А - активность в Беккерелях, T_1/2 - период полураспада в секундах. Масса получается в граммах.

Экспозиционная  доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц :

 

X = dQ/dm

 

Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и -излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества

электричества. Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08*10⁹ пар ионов (2.08*10⁹ = 1/(4.8*10^-10)). Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная : (2.08*10⁹)*33.85*(1.6*10^-12) = 0.113 эрг, а одному грамму воздуха : 0.113/ _возд ⁼ 0.113/0.001293 = 87.3 эрг.

Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы.

Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме :

 

D = dE/dm

 

Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица Рад  определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.

Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D_r, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w_r (называемый еще - коэффициент качества излучения) (таблица 4).

 

Единицей измерения эквивалентной  дозы является Джоуль на килограмм. Она  имеет специальное наименование Зиверт (Зв).

Таб.4

Весовые множители  излучения
Вид излучения и диапазон энергий	Весовой множитель
Фотоны всех энергий	1
Электроны и мюоны всех энергий	1
Нейтроны с энергией < 10 КэВ	5
Нейтроны от 10 до 100 КэВ	10
Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ	20
Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ	10
Нейтроны > 20 МэВ	5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи)	5
а-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра	20

 

Влияние облучения носит  неравномерный характер. Для оценки ущерба здоровью человека за счет различного характера влияния облучения  на разные органы (в условиях равномерного облучения всего тела) введено  понятие эффективной эквивалентной  дозы Е_эфф применяемое при оценке возможных стохастических эффектов - злокачественных новообразований. Эффективная доза равна сумме взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях:

 

где w_t - тканевый весовой множитель (таблица 5), а H_t -эквивалентная доза, поглощенная в ткани - t. Единица эффективной эквивалентной дозы - Зиверт.

Таблица 5.

Значения тканевых весовых множителей wt для различных органов и тканей.
Ткань или орган	wt	Ткань или орган	wt
Половые железы	0.20	Печень	0.05
Красный костный мозг	0.12	Пищевод	0.05
Толстый кишечник	0.12	Щитовидная железа	0.05
Легкие	0.12	Кожа	0.01
Желудок	0.12	Поверхность костей	0.01
Мочевой пузырь	0.05	Остальные органы	0.05
Молочные железы	0.05

 

Коллективная  эффективная эквивалентная доза. Для оценки ущерба здоровью персонала и населения от стохастических эффектов, вызванных действием ионизирующих излучений, используют коллективную эффективную эквивалентную дозу S, определяемую как:

 

 

где N(E) - число лиц, получивших индивидуальную эффективную эквивалентную дозу Е. Единицей S является человеко-Зиверт (чел-Зв).

Радионуклиды - радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов - и с данным определенным энергетическим состоянием атомного ядра. Радионуклиды (и нерадиоактивные нуклиды) элемента иначе называют его изотопами. Помимо названных выше величин для сравнения степени радиационного повреждения вещества при воздействии на него различных ионизирующих частиц с разной энергией используется также величина линейной передачи энергии (ЛПЭ), определяемая соотношением :

 

где - средняя энергия, локально переданная среде ионизирующей частицей вследствие столкновений на элементарном пути dl. Пороговая энергия обычно относится к энергии электрона. Если в акте столкновения первичная заряженная частица образует -электрон с энергией больше , то эта энергия не включается в значение dE, и -электроны с энергией больше рассматриваются как самостоятельные первичные частицы. Выбор пороговой энергии является произвольным и зависит от конкретных условий. Из определения следует, что линейная передача энергии является некоторым аналогом тормозной способности вещества. Однако между этими величинами есть различие. Заключается оно в следующем: 1. ЛПЭ не включает энергию, преобразованную в фотоны, т.е. радиационные потери. 2. При заданном пороге ЛПЭ не включает в себя кинетическую энергию частиц, превышающую .

Величины ЛПЭ и тормозной  способности совпадают, если можно  пренебречь потерями на тормозное излучение  и

 

Таблица 6.

Средние значения величины линейной передачи энергии L и пробега R для электронов, протонов и а-частиц в мягкой ткани.
Частица	Е, МэВ	L, КэВ/мкм	R, мкм
Электрон	0.01	2.3	1
	0.1	0.42	180
	1.0	0.25	5000
Протон	0.1	90	3
	2.0	16	80
	5.0	8	350
	100.0	4	1400
α-частица	0.1	260	1
	5.0	95	35

                  

                        Предельно допустимые дозы облучения

 

По отношению к облучению  население делится на 3 категории.

Категория А облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) - лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.

Категория Б облучаемых лиц или ограниченная часть населения - лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.

Категория В облучаемых лиц или население - население страны, республики, края или области. Для категории А вводятся предельно допустимые дозы -наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Для категории Б определяется предел дозы.

Устанавливается три группы критических органов: 1 группа - все тело, гонады и красный костный мозг. 2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам. 3 группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы. Дозовые пределы облучения для разных категорий лиц даны в таблице 7.

Таблица 7.

Дозовые пределы  внешнего и внутреннего облучения (бэр/год).
Категории лиц	Группы критических органов
	1	2	3
Категория А, предельно допустимая доза (ПДД)	5	15	30
Категория Б, предел дозы(ПД)	0.5	1.5	3

 

Помимо основных дозовых  пределов для оценки влияния излучения  используют производные нормативы  и контрольные уровни. Нормативы  рассчитаны с учетом непревышения дозовых пределов ПДД (предельно допустимая доза) и ПД (предел дозы).

Расчет допустимого содержания радионуклида в организме проводят с учетом его радиотоксичности и непревышения ПДД в критическом органе. Контрольные уровни должны обеспечивать такие низкие уровни облучения, какие можно достичь при соблюдении основных дозовых пределов.

Для категории А (персонала) установлены: - предельно допустимое годовое поступление ПДП радионуклида через органы дыхания; - допустимое содержание радионуклида в критическом органе ДС_А; - допустимая мощность дозы излучения ДМД_А; - допустимая плотность потока частиц ДПП_А; - допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида в воздухе рабочей зоны ДК_А; - допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей ДЗ_А.

Для категории Б (ограниченной части населения) установлены: - предел годового поступления ПГП радионуклида через органы дыхания или пищеварения; - допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида ДК_Б в атмосферном воздухе и воде; - допустимая мощность дозы ДМД_Б; - допустимая плотность потока частиц ДПП_Б; - допустимое загрязнение кожных покровов, одежды и поверхностей ДЗ_Б . Численные значения допустимых уровней в полном объеме содержатся в "Нормах радиационной безопасности".

                  Воздействие радиации на человека

 

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории (таб.8): 1) Соматические (телесные) - возникающие в организме человека, который подвергался облучению. 2) Генетические - связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению.

 

Радиационные эффекты  облучения человека
Соматические эффекты	Генетические эффекты
Лучевая болезнь	Генные мутации
Локальные лучевые поражения	Хромосомные аберрации
Лейкозы
Опухоли разных органов

 

Таб8. Радиационные эффекты облучения человека.

 

Различают пороговые (детерминированные) и стохастические эффекты. Первые возникают когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов. Зависимость тяжести нарушения от величины дозы облучения показана в таблице 9.

 

Таблица 9.

Воздействие различных доз  облучения на человеческий организм
Доза, Гр	Причина и результат воздействия
(0.7 - 2) 10-3	Доза от естественных источников в год
0.05	Предельно допустимая доза профессионального облучения в  год
0.1	Уровень удвоения вероятности  генных мутаций
0.25	Однократная доза оправданного риска в чрезвычайных обстоятельствах
1.0	Доза возникновения острой лучевой болезни
3- 5	Без лечения 50% облученных умирает  в течение 1-2 месяцев вследствие нарушения деятельности клеток костного мозга
10 - 50	Смерть наступает через 1-2 недели вследствие поражений главным  образом желудочно кишечного тракта
100	Смерть наступает через  несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной  системы