Воздействие ионизирующих излучений на человекаионизирующие излучения. Вредные производственные факторы - ионизирующее излучение

В организме человека радиация вызывает цепочку обратимых и необратимых изменений. Пусковым механизмом воздействия являют­ся процессы ионизации и возбуждения молекул и атомов в тканях. Важную роль в формировании биологических эффектов играют сво­бодные радикалы Н + и ОН-, образующиеся в процессе радиолиза воды (в организме содержится до 70% воды). Обладая высокой химической активностью, они вступают в химические реакции с молекулами бел­ка, ферментов и других элементов биологической ткани, вовлекая в реакции сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением, что приводит к нарушению биохимических процессов в организме.

Под воздействием радиации нарушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химиче­ские соединения, не свойственные организму (токсины). Нарушаются функции кроветворных органов (красного костного мозга), увеличи­вается проницаемость и хрупкость сосудов, происходит расстройство

желудочно-кишечного тракта, ослабевает иммунная система человека, происходит его истощение, перерождение нормальных клеток в зло­качественные (раковые) и др.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом, после чего происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это приводит к изменению генного аппарата человека. Стойкие изме­нения хромосом приводят к мутациям, которые отрицательно влияют на потомство.

Для защиты от ионизирующих излучений применяют следующие методы и средства:

Снижение активности (количества) радиоизотопа, с которым работает человек;

Увеличение расстояния от источника излучения;

Экранирование излучения с помощью экранов и биологиче­ских защит;

Применение средств индивидуальной защиты.

В инженерной практике для выбора типа и материала экрана, его толщины используют уже известные расчетно-экспериментальные данные по кратности ослабления излучений различных радионукли­дов и энергий, представленные в виде таблиц или графических зави­симостей. Выбор материала защитного экрана определяется видом и энергией излучения.

Для защиты от альфа-излучения достаточно 10 см слоя воздуха. При близком расположении от альфа-источника применяют экраны из органического стекла.

Для защиты от бета-излучения рекомендуется использовать материалы с малой атомной массой (алюминий, плексиглас, карболит). Для комплексной защиты от бета- и тормозного гамма-излучения применяют комбинированные двух- и многослойные экраны, у кото­рых со стороны источника излучения устанавливают экран из мате­риала с малой атомной массой, а за ним - с большой атомной массой (свинец, сталь и т.д.).

Для защиты от гамма- и рентгеновского излучения, обладаю­щих очень высокой проникающей способностью, применяют материа­лы с большой атомной массой и плотностью (свинец, вольфрам и др.), а также сталь, железо, бетон, чугун, кирпич. Однако чем меньше атомная масса вещества экрана и чем меньше плотность защитного материала, тем для требуемой кратности ослабления требуется боль­шая толщина экрана.

Для защиты от нейтронного излучения применяют водородо-содержащие вещества: воду, парафин, полиэтилен. Кроме того, нейт­ронное излучение хорошо поглощается бором, бериллием, кадмием, графитом. Поскольку нейтронные излучения сопровождаются гамма-излучениями, необходимо применять многослойные экраны из раз­личных материалов: свинец-полиэтилен, сталь-вода и водные рас­творы гидроокисей тяжелых металлов.

Средства индивидуальной защиты. Для защиты человека от внутреннего облучения при попадании радиоизотопов внутрь организ­ма с вдыхаемым воздухом применяют респираторы (для защиты от ра­диоактивной пыли), противогазы (для защиты от радиоактивных газов).

При работе с радиоактивными изотопами применяют халаты, комбинезоны, полукомбинезоны из неокрашенной хлопчатобумажной ткани, а также хлопчатобумажные шапочки. При опасности значи-тельного загрязнения помещения радиоактивными изотопами поверх хлопчатобумажной одежды надевают пленочную (нарукавники, брю­ки, фартук, халат, костюм), покрывающую все тело или места воз­можного наибольшего загрязнения. В качестве материалов для пле­ночной одежды применяют пластики, резину и другие материалы, которые легко очищаются от радиоактивных загрязнений. При ис­пользовании пленочной одежды в ее конструкции предусматривается принудительная подача воздуха под костюм и нарукавники.

При работе с радиоактивными изотопами высокой активности используют перчатки из просвинцованной резины.

При высоких уровнях радиоактивного загрязнения применяют пневмокостюмы из пластических материалов с принудительной пода­чей чистого воздуха под костюм. Для защиты глаз применяют очки закрытого типа со стеклами, содержащими фосфат вольфрама или свинец. При работе с альфа- и бета-препаратами для защиты лица и глаз используют защитные щитки из оргстекла.

На ноги надевают пленочные туфли или бахилы и чехлы, сни­маемые при выходе из загрязненной зоны.

Радиоактивные вещества (РВ) могут проникать в организм тремя путями: с вдыхаемым воздухом, через желудочно-кишечный тракт (с пищей и водой), через кожу. Человек получает облучение не только снаружи, но и через внутренние органы. РВ проникают в молекулы внутренних органов, особенно костной ткани и мышц. Концентрируясь в них, РВ продолжают облучать и повреждать организм изнутри.

Радиационный риск — вероятность возникновения у человека или его потомства какого-либо вредного эффекта в результате облучения.

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызывать неблагоприятные эффекты двух видов:

Детерминированные (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.). Предполагается существование дозового порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше которого тяжесть эффекта зависит от дозы;

Стохастические вероятностные беспороговые вредные биологические эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни), не имеющие дозового порога возникновения. Тяжесть их проявления не зависит от дозы. Период возникновения этих эффектов у облученного человека составляет от 2 до 50 лет и более.

Биологическое действие ионизирующих излучений связано с образованием новых, не свойственных для организма соединений, нарушающих деятельность как отдельных функций, так и целых систем организма. Частично идут процессы восстановления структур организма. От интенсивности этих процессов зависит общий результат восстановления. С увеличением мощности излучения значимость процессов восстановления уменьшается.

Различают генетические (наследственные) и соматические (телесные) вредные эффекты.

Генетические эффекты связаны с изменением генного аппарата под действием ионизирующих излучений. Последствиями этого являются мутации (появления у облученных людей потомства с иными признаками, часто с врожденными уродствами).

Генетические эффекты имеют длительный скрытый период (десятки лет после облучения). Такая опасность существует даже при очень слабом облучении, которое, хотя и не разрушает клетки, но способно изменить наследственные свойства.

Соматические эффекты всегда начинаются с определенной пороговой дозы. При дозах, меньших, чем пороговые, повреждения организма не происходит. К соматическим эффектам относят местные повреждения кожи (лучевой ожог), катаракту глаз (помутнение хрусталика), повреждение половых органов (кратковременная или постоянная стерилизация). Организм способен преодолевать многие соматические последствия облучения.

Степень лучевого поражения в значительной мере зависит от размеров облучаемой поверхности, от того, подвергалось ли облучению все тело или только часть его. С ее сокращением уменьшается и биологический эффект.

Длительное облучение малыми дозами (хроническое) в рабочей среде может привести к развитию хронической лучевой болезни. Наиболее характерными признаками хронической лучевой болезни являются изменения формулы крови, локальные поражения кожи, поражения хрусталика, пневмосклероз, снижение иммунитета. Способность вызывать отдаленные последствия — одно из коварных свойств ионизирующего излучения.

Ионизирующим излучением называется излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к обра­зованию в этом веществе ионов разного знака. Ионизи­рующее излучение состоит из заряженных и незаря­женных частиц, к которым относятся также фотоны. Энергию частиц ионизирующего излучения измеряют во внесистемных единицах- электрон-вольтах, эВ. 1эВ = 1,6 10 -19 Дж.

Различают корпускулярное и фотонное ионизирую­щее излучение.

Корпускулярное ионизирующее излучение - поток элементарных частиц с массой покоя, отличной от нуля, образующихся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, либо генерируемых на ускорителях. К не­му относятся: α- и β-частицы, нейтроны (n), протоны (р) и др.

α-излучение - это поток частиц, являющихся ядра­ми атома гелия и обладающих двумя единицами заряда. Энергия α-частиц, испускаемых различными радионук­лидами, лежит в пределах 2-8 МэВ. При этом все ядра данного радионуклида испускают α-частицы, обладаю­щие одной и той же энергией.

β-излучение - это поток электронов или позитро­нов. При распаде ядер β-активного радионуклида, в от­личие от α-распада, различные ядра данного радионук­лида испускают β-частицы различной энергии, поэтому энергетический спектр β-частиц непрерывен. Средняя энергия β-спектра составляет примерно 0,3 Е тах. Мак­симальная энергия β-частиц у известных в настоящее время радионуклидов может достигать 3,0-3,5 МэВ.

Нейтроны (нейтронное излучение) - нейтральные элементарные частицы. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, при прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов. В резуль­тате этих процессов образуются либо заряженные части­цы (ядра отдачи, протоны, нейтроны), либо g-излучение, вызывающие ионизацию. По характеру взаимодействия со средой, зависящему от уровня энергии нейтронов, они условно разделены на 4 группы:

1) тепловые нейтроны 0,0-0,5 кэВ;

2) промежуточные нейтроны 0,5-200 кэВ;

3) быстрые нейтроны 200 Кэв - 20 Мэв;

4) релятивистские нейтроны свыше 20 МэВ.

Фотонное излучение - поток электромагнитных ко­лебаний, которые распространяются в вакууме с посто­янной скоростью 300000 км/с. К нему относятся g-излу­чение, характеристическое, тормозное и рентгеновское
излучение.

Обладая одной и той же природой, эти виды электро­магнитных излучений различаются условиями образо­вания, а также свойствами: длиной волны и энергией.

Так, g-излучение испускается при ядерных превра­щениях или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение - фотонное излуче­ние с дискретным спектром, испускаемое при измене­нии энергетического состояния атома, обусловленного перестройкой внутренних электронных оболочек.

Тормозное излучение - связано с изменением кине­тической энергии заряженных частиц, имеет непрерыв­ный спектр и возникает в среде, окружающей источник β-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т. п.

Рентгеновское излучение - совокупность тормозно­го и характеристического излучений, диапазон энергии фотонов которых составляет 1 кэВ – 1 МэВ.

Излучения характеризуются по их ионизирующей и проникающей способности.

Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, создавае­мых частицей в единице объема массы среды или на единице длины пути. Излучения различных видов обла­дают различной ионизирующей способностью.

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробегом называется путь, прой­денный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия.

α-частицы обладают наибольшей ионизирующей спо­собностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Длина пробега этих частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мягкой биологической ткани - несколько десятков микрон.

β-излучение имеет существенно меньшую ионизиру­ющую способность и большую проникающую способ­ность. Средняя величина удельной ионизации в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути, а макси­мальный пробег достигает нескольких метров при боль­ших энергиях.

Наименьшей ионизирующей способностью и наиболь­шей проникающей способностью обладают фотонные излучения. Во всех процессах взаимодействия электро­магнитного излучения со средой часть энергии преобра­зуется в кинетическую энергию вторичных электронов, которые, проходя через вещество, производят иониза­цию. Прохождение фотонного излучения через веще­ство вообще не может быть охарактеризовано понятием пробега. Ослабление потока электромагнитного излуче­ния в веществе подчиняется экспоненциальному закону и характеризуется коэффициентом ослабления р., кото­рый зависит от энергии излучения и свойств вещества. Но какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя пол­ностью поглотить поток фотонного излучения, а можно только ослабить его интенсивность в любое число раз.

В этом существенное отличие характера ослабления фотонного излучения от ослабления за­ряженных частиц, для кото­рых существует минимальная толщина слоя вещества-поглотителя (пробег), где происходит полное поглощение потока заряженных частиц.

Биологическое действие ионизирующих излучений. Под воздействием ионизирующего излучения на орга­низм человека в тканях могут происходить сложные физические и биологические процессы. В результате ионизации живой ткани происходит разрыв молекуляр­ных связей и изменение химической структуры различ­ных соединений, что в свою очередь приводит к гибели клеток.

Еще более существенную роль в формировании био­логических последствий играют продукты радиолиза воды, которая составляет 60-70% массы биологической ткани. Под действием ионизирующего излучения на воду образуются свободные радикалы Н·и ОН·, а в присут­ствии кислорода также свободный радикал гидропероксида (НО· 2) и пероксида водорода (Н 2 O 2), являющи­еся сильными окислителями. Продукты радиолиза вступают в химические реакции с молекулами тканей, образуя соединения, не свойственные здоровому орга­низму. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем, а также жизнедеятельности организма в целом.

Интенсивность химических реакций, индуцирован­ных свободными радикалами, повышается, и в них вов­лекаются многие сотни и тысячи молекул, не затрону­тых облучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты, то есть производимый излучением эффект обусловлен не столько количеством поглощенной энергии в облучае­мом объекте, сколько той формой, в которой эта энер­гия передается. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объек­том в том же количестве, не приводит к таким измене­ниям, какие вызывают ионизирующие излучения.

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов, которые клинической медициной относятся к болезням: детерминированные пороговые эффекты (лу­чевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наслед­ственные болезни).

Нарушения биологических процессов могут быть либо обратимыми, когда нормальная работа клеток облучен­ной ткани полностью восстанавливается, либо необрати­мыми, ведущими к поражению отдельных органов или всего организма и возникновению лучевой болезни.

Различают две формы лучевой болезни - острую и хроническую.

Острая форма возникает в результате облучения боль­шими дозами в короткий промежуток времени. При дозах порядка тысяч рад поражение организма может быть мгновенным («смерть под лучом»). Острая лучевая болезнь может возникнуть и при попадании внутрь орга­низма больших количеств радионуклидов.

Острые поражения развиваются при однократном равномерном гамма-облучении всего тела и поглощенной дозе выше 0,5 Гр. При дозе 0,25...0,5 Гр могут наблюдаться временные изменения в крови, которые быстро нормализуются. В интервале дозы 0,5...1,5 Гр возникает чувство усталости, менее чем у 10 % облученных может наблюдаться рвота, умеренные изменения в крови. При дозе 1,5...2,0 Гр наблюдает­ся легкая форма острой лучевой болезни, которая проявляется продол­жительной лимфопенией (снижение числа лимфоцитов - иммунокомпетентных клеток) , в 30...50 % случаев - рвота в первые сутки после облучения. Смертельные исходы не регистрируются.

Лучевая болезнь средней тяжести возникает при дозе 2,5...4,0 Гр. Почти у всех облученных в первые сутки наблюдаются тошнота, рво­та, резко снижается содержание лейкоцитов в крови, появляются подкожные кровоизлияния, в 20 % случаев возможен смертельный исход, смерть наступает через 2...6 недель после облучения. При дозе 4,0...6,0 Гр развивается тяжелая форма лучевой болезни, приводящая в 50 % случаев к смерти в течение первого месяца. При дозах, превы­шающих 6,0 Гр, развивается крайне тяжелая форма лучевой болезни, которая почти в 100 % случаев заканчивается смертью вследствие кровоизлияния или инфекционных заболеваний. Приведенные дан­ные относятся к случаям, когда отсутствует лечение. В настоящее время имеется ряд противолучевых средств, которые при комплекс­ном лечении позволяют исключить летальный исход при дозах около 10 Гр.

Хроническая лучевая болезнь может развиться при непрерывном или повторяющемся облучении в дозах, существенно ниже тех, кото­рые вызывают острую форму. Наиболее характерными признаками хронической лучевой болезни являются изменения в крови, ряд сим­птомов со стороны нервной системы, локальные поражения кожи, поражения хрусталика, пневмосклероз (при ингаляции плутония-239), снижение иммунореактивности организма.

Степень воздействия радиации зависит от того, является облуче­ние внешним или внутренним (при попадании радиоактивного изо­топа внутрь организма). Внутреннее облучение возможно при вдыха­нии, заглатывании радиоизотопов и проникновении их в организм через кожу. Некоторые вещества поглощаются и накапливаются в конкретных органах, что приводит к высоким локальным дозам ра­диации. Кальций, радий, стронций и другие накапливаются в костях, изотопы йода вызывают повреждение щитовидной железы, редкозе­мельные элементы - преимущественно опухоли печени. Равномер­но распределяются изотопы цезия, рубидия, вызывая угнетение кро­ветворения, атрофию семенников, опухоли мягких тканей. При внут­реннем облучении наиболее опасны альфа-излучающие изотопы по­лония и плутония.

Способность вызывать отдаленные последствия - лейкозы, зло­качественные новообразования, раннее старение - одно из ковар­ных свойств ионизирующего излучения.

Для решения вопросов радиационной безопасности в первую очередь представляют интерес эффекты, наблю­даемые при «малых дозах» - порядка нескольких сантизивертов в час и ниже, которые реально встречаются при практическом использовании атомной энергии.

Весьма важным здесь является то, что, согласно со­временным представлениям, выход неблагоприятных эффектов в диапазоне «малых доз», встречающихся в обычных условиях, мало зависит от мощности дозы. Это означает, что эффект определяется прежде всего сум­марной накопленной дозой вне зависимости от того, по­лучена она за 1 день, за 1 с или за 50 лет. Таким обра­зом, оценивая эффекты хронического облучения, следует иметь в виду, что эти эффекты накапливаются в орга­низме в течение длительного времени.

Дозиметрические величины и единицы их измерения. Действия ионизирующего излучения на вещество проявляется в ионизации и возбуждении атомов и моле­кул, входящих в состав вещества. Количественный ме­рой этого воздействия служит поглощенная доза Д п - средняя энергия, переданная излучением единице мас­сы вещества. Единица поглощенной дозы - грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. На прак­тике применяется также внесистемная единица - 1 рад = 100 эрг/г = 1 10 -2 Дж/кг = 0,01 Гр.

Поглощенная доза излучения зависит от свойств из­лучения и поглощающей среды.

Для заряженных частиц (α, β, протонов) небольших энергий, быстрых нейтронов и некоторых других излу­чений, когда основными процессами их взаимодействия с веществом являются непосредственная ионизация и возбуждение, поглощенная доза служит однозначной ха­рактеристикой ионизирующего излучения по его воз­действию на среду. Это связано с тем, что между пара­метрами, характеризующими данные виды излучения (поток, плотность потока и др.) и параметром, характе­ризующим ионизационную способность излучения в сре­де - поглощенной дозой, можно установить адекватные прямые зависимости.

Для рентгеновского и g-излучений таких зависимос­тей не наблюдается, так как эти виды излучений кос­венно ионизирующие. Следовательно, поглощенная доза не может служить характеристикой этих излучений по их воздействию на среду.

До последнего времени в качестве характеристики рентгеновского и g-излучений по эффекту ионизации используют так называемую экспозиционную дозу. Экс­позиционная доза выражает энергию фотонного излуче­ния, преобразованную в кинетическую энергию вторич­ных электронов, производящих ионизацию в единице массы атмосферного воздуха.

За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и g-излучений принимают кулон на килограмм (Кл/кг). Это такая доза рентгеновского или g-излучения, при воздействии которой на 1 кг сухого атмосферного возду­ха при нормальных условиях образуются ионы, несу­щие 1 Кл электричества каждого знака.

На практике до сих пор широко используется внеси­стемная единица экспозиционной дозы - рентген. 1 рен­тген (Р) - экспозиционная доза рентгеновского и g-из­лучений, при которой в 0,001293 г (1 см 3 воздуха при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу количества элект­ричества каждого знака или 1 Р=2,58 10 -4 Кл/кг. При экспозиционной дозе в 1 Р будет обра­зовано 2,08 10 9 пар ионов в 0,001293 г атмосферного воздуха.

Исследования биологических эффектов, вызываемых различными ионизирующими излучениями, показали, что повреждение тканей связано не только с количеством поглощенной энергии, но и с ее пространственным рас­пределением, характеризуемым линейной плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации, или, иначе, линейная передача энергии частиц в среде на единицу длины пути (ЛПЭ), тем больше степень био­логического повреждения. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы.

Доза эквивалентная H T , R - поглощенная доза в органе или ткани D T , R , умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения W R :

H t , r =W R D T , R

Единицей измерения эквивалентной дозы является Джž кг -1 , имеющий специальное наименование зиверт (Зв).

Значения W R для фотонов, электронов и мюонов любых энергий составляет 1, для α-частиц, осколков деления, тяжелых ядер - 20. Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы:

· Фотоны любых энергий…………………………………………………….1

· Электроны и мюоны (менее 10 кэВ)……………………………………….1

· Нейтроны с энергией менее 10 кэВ………………………………………...5

от 10 кэВ до 100 кэВ ……....………………………………………………10

от 100 кэВ до 2 МэВ………………………………………………………..20

от 2 МэВ до 20 МэВ………………………………………………………..10

более 20 МэВ…………………………………………………………………5

· Протоны, кроме протонов отдачи,

энергия более 2 МэВ………………………………….………………5

· Альфа-частицы,

осколки деления, тяжелые ядра………………………………………….20

Доза эффективная - величина, используемая как мера риска воз­никновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе Н τТ на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного орга­на или ткани W T:

гдеН τТ - эквивалентная доза в ткани Т за время τ .

Единица измерения эффективной дозы - Дж × кг -1 , называемая зивертом (Зв).

Значения W T для отдельных видов ткани и органов приведены ниже:

Вид ткани, орган W 1

Гонады................................................................................................................0,2

Костный мозг, (красный), легкие, желудок………………………………0,12

Печень, грудная железа, щитовидная железа. …………………………...0,05

Кожа……………………………………………………………………………0,01

Поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы, отнесенные к единице времени, носят название мощнос­ти соответствующих доз.

Самопроизвольный (спонтанный) распад радиоактив­ных ядер следует закону:

N = N 0 ехр(-λt),

где N 0 - число ядер в данном объеме вещества в момент времени t = 0 ; N - число ядер в том же объеме к моменту времени t; λ - постоянная распада.

Постоянная λ имеет смысл вероятности распада ядра за 1 с; она равна доле ядер, распадающихся за 1 с. По­стоянная распада не зависит от общего числа ядер и имеет вполне определенное значение для каждого ра­диоактивного нуклида.

Приведенное выше уравнение показывает, что с те­чением времени число ядер радиоактивного вещества уменьшается по экспоненциальному закону.

В связи с тем, что период полураспада значительно­го числа радиоактивных изотопов измеряется часами и сутками (так называемые короткоживущие изотопы), его необходимо знать для оценки радиационной опасно­сти во времени в случае аварийного выброса в окружаю­щую среду радиоактивного вещества, выбора метода де­зактивации, а также при переработке радиоактивных отходов и последующем их захоронении.

Описанные виды доз относятся к отдельному челове­ку, то есть являются индивидуальными.

Просуммировав индивидуальные эффективные экви­валентные дозы, полученные группой людей, мы при­дем к коллективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).

Следует ввести еще одно определение.

Многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся в отдаленном будущем.

Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат поколения людей от какого-либо ра­диоактивного источника за все время его существова­ния, называют ожидаемой (полной) коллективной эф­фективной эквивалентной дозой.

Активность препарата - это мера количества ра­диоактивного вещества.

Определяется активность числом распадающихся ато­мов в единицу времени, то есть скоростью распада ядер радионуклида.

Единицей измерения активности является одно ядер­ное превращение в секунду. В системе единиц СИ она получила название беккерель (Бк).

За внесистемную единицу активности принята кюри (Ки) - активность такого числа радионуклида, в кото­ром происходит 3,7×10 10 актов распада в секунду. На практике широко пользуются производными Ки: мил­ликюри - 1 мКи = 1 ×10 -3 Ки; микрокюри - 1 мкКи = 1 ×10 -6 Ки.

Измерение ионизирующих излучений. Необходимо помнить, что не существует универсаль­ных методов и приборов, применимых для любых усло­вий. Каждый метод и прибор имеют свою область при­менения. Неучет этих замечаний может привести к грубым ошибкам.

В радиационной безопасности используют радиомет­ры, дозиметры и спектрометры.

Радиометры - это приборы, предназначенные для определения количества радиоактивных веществ (радио­нуклидов) или потока излучения. Например, газораз­рядные счетчики (Гейгера-Мюллера).

Дозиметры - это приборы для измерения мощнос­ти экспозиционной или поглощенной дозы.

Спектрометры служат для регистрации и анализа энергетического спектра и идентификации на этой осно­ве излучающих радионуклидов.

Нормирование. Вопросы радиационной безопасности регламентиру­ется Федеральным законом «О радиационной безопасно­сти населения», нормами радиационной безопасности (НРБ-99) и другими правилами и положениями. В зако­не «О радиационной безопасности населения» говорит­ся: «Радиационная безопасность населения - состояние защищенности настоящего и будущего поколений лю­дей от вредного для их здоровья воздействия ионизиру­ющего излучения» (статья 1).

«Граждане Российской Федерации, иностранные граждане и лица без гражданства, проживающие на тер­ритории Российской Федерации, имеют право на радиа­ционную безопасность. Это право обеспечивается за счет проведения комплекса мероприятий по предотвращению радиационного воздействия на организм человека иони­зирующего излучения выше установленных норм, пра­вил и нормативов, выполнения гражданами и организа­циями, осуществляющими деятельность с использованием источников ионизирующего излучения, требований к обеспечению радиационной безопасности» (статья 22).

Гигиеническая регламентация ионизирующего излученияосуществ­ляется Нормами радиационной безопасности НРБ-99 (Санитарны­ми правилами СП 2.6.1.758-99). Основные дозовые пределы облуче­ния и допустимые уровни устанавливаются для следующих категорий

облучаемых лиц:

· персонал - лица, работающие с техногенными источниками (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздейст­вия (группа Б);

· все население, включая лиц из персонала, вне сферы и усло­вий их производственной деятельности.

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИХ ПРИРОДА И ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Радиация и её разновидности

Ионизирующие излучения

Источники радиационной опасности

Устройство ионизирующих источников излучения

Пути проникновения излучения в организм человека

Меры ионизирующего воздействия

Механизм действия ионизирующего излучения

Последствия облучения

Лучевая болезнь

Обеспечение безопасности при работе с ионизирующими излучениями

Радиация и её разновидности

Радиация – это все виды электромагнитного излучения: свет, радиоволны, энергия солнца и множество иных излучений вокруг нас.

Источниками проникающей радиации, создающими природный фон облучения, являются галактическое и солнечное излучение, наличие радиоактивных элементов в почве, воздухе и материалах, используемых в хозяйственной деятельности, а также изотопов,главным образом,калия, в тканях живого организма. Одним из наиболее весомых естественных источников радиации является радон – газ, не имеющий вкуса и запаха.

Интерес представляет не любая радиация, а ионизирующая, которая, проходя сквозь ткани и клетки живых организмов, способна передавать им свою энергию, разрывая химические связи внутри молекул и вызывая серьёзные изменения в их структуре. Ионизирующее излучение возникает при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

Ионизирующие излучения

Все ионизирующие излучения делятся на фотонные и корпускулярные.

К фотонному ионизирующему излучению относятся:

а) Y-излучение, испускаемое при распаде радиоактивных изотопов или аннигиляции частиц. Гамма-излучение по своей природе является коротковолновым электромагнитным излучением, т.е. потоком высокоэнергетических квантов электромагнитной энергии, длина волны которых значительно меньше межатомных расстояний, т.е. y < 10 см. Не имея массы, Y-кванты двигаются со скоростью света, не теряя её в окружающей среде. Они могут лишь поглощаться ею или отклоняться в сторону, порождая пары ионов: частица- античастица, причём последнее наиболее значительно при поглощении Y- квантов в среде. Таким образом, Y- кванты при прохождении через вещество передают энергию электронам и, следовательно, вызывают ионизацию среды. Благодаря отсутствию массы, Y- кванты обладают большой проникающей способностью (до 4- 5 км в воздушной среде);

б) рентгеновское излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц и / или при изменении энергетического состояния электронов атома.

Корпускулярное ионизирующее излучение состоит из потока заряженных частиц (альфа-,бета-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят:

а) нейтроны – единственные незаряженные частицы, образующиеся при некоторых реакциях деления ядер атомов урана или плутония. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани. Отличительной особенностью нейтронного излучения является его способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, т.е. создавать наведённую радиацию, что резко повышает опасность нейтронного излучения. Проникающая способность нейтронов сравнима с Y- излучением. В зависимости от уровня носимой энергии условно различают нейтроны быстрые (обладающие энергией от 0,2 до 20 Мэ В) и тепловые (от 0,25 до 0,5 Мэ В). Это различие учитывается при проведении защитных мероприятий. Быстрые нейтроны замедляются, теряя энергию ионизации, веществами с малым атомным весом (так называемыми водородосодержащими: парафин, вода, пластмассы и др.). Тепловые нейтроны поглощаются материалами, содержащими бор и кадмий (борная сталь, бораль, борный графит, сплав кадмия со свинцом).

Альфа -, бета-частицы и гамма - кванты обладают энергией всего в несколько мегаэлектронвольт, и создавать наведённую радиацию не могут;

б) бета частицы - электроны, испускаемые во время радиоактивного распада ядерных элементов с промежуточной ионизирующей и проникающей способностью (пробег в воздухе до 10-20 м).

в) альфа частицы - положительно заряженные ядра атомов гелия, а в космическом пространстве и атомов других элементов, испускаемые при радиоактивном распаде изотопов тяжёлых элементов – урана или радия. Они обладают малой проникающей способностью (пробег в воздухе - не более 10 см), даже человеческая кожа является для них непреодолимым препятствием. Опасны они лишь при попадании внутрь организма, так как способны выбивать электроны из оболочки нейтрального атома любого вещества, в том числе и тела человека, и превращать его в положительно заряженный ион со всеми вытекающими последствиями, о которых будет сказано далее. Так, альфа частица с энергией 5 МэВ образует 150 000 пар ионов.

Характеристика проникающей способности различных видов ионизирующего излучения

Количественное содержание радиоактивного материала в организме человека или веществе определяется термином «активность радиоактивного источника» (радиоактивность). За единицу радиоактивности в системе СИ принят беккерель (Бк), соответствующий одному распаду в 1 с. Иногда на практике применяется старая единица активности – кюри (Ки). Это активность такого количества вещества, в котором за 1с происходит распад 37 млрд. атомов. Для перевода пользуются зависимостью: 1 Бк = 2,7 х 10 Ки или 1 Ки = 3,7 х 10 Бк.

Каждый радионуклид имеет неизменный, присущий только ему период полураспада (время, необходимое для потери веществом половины активности). Например, у урана-235 он составляет 4 470 лет, тогда как у йода-131 – всего лишь 8 суток.

Источники радиационной опасности

1. Главная причина опасности – радиационная авария. Радиационная авария – потеря управления источником ионизирующего излучения (ИИИ), вызванная неисправностью оборудования, неправильными действиями персонала, стихийными бедствиями или иными причинами, которые могли привести или привели к облучению людей выше установленных норм или к радиоактивному загрязнению окружающей среды. При авариях, вызванных разрушением корпуса реактора или расплавлением активной зоны выбрасываются:

1) Фрагменты активной зоны;

2) Топливо (отходы) в виде высокоактивной пыли, которая может долгое время находиться в воздухе в виде аэрозолей, затем после прохождения основного облака выпадать в виде дождевых (снеговых) осадков, а при попадании в организм вызывать мучительный кашель, иногда по тяжести сходный с приступом астмы;

3) лавы, состоящие из двуокиси кремния, а также расплавленный в результате соприкосновения с горячим топливом бетон. Мощность дозы вблизи таких лав достигает 8000 Р/час и даже пятиминутное пребывание рядом губительно для человека. В первый период после выпадения осадков РВ наибольшую опасность представляет йод-131, являющийся источником альфа- и бэта-излучения. Периоды полувыведения его из щитовидной железы составляют: биологический – 120 суток, эффективный – 7,6. Это требует быстрейшего проведения йодной профилактики всего населения, оказавшегося в зоне аварии.

2. Предприятия по разработке месторождений и обогащению урана. Уран имеет атомный вес 92 и три естественных изотопов: уран-238 (99,3%), уран-235 (0,69%) и уран-234 (0,01%). Все изотопы являются альфа-излучателями с незначительной радиоактивностью (2800кг урана по активности эквивалентны 1 г радия-226). Период полураспада урана-235 = 7,13 х 10 лет. Искусственные изотопы уран-233 и уран-227 имеют период полураспада 1,3 и 1,9 мин. Уран – мягкий металл, по внешнему виду похожий на сталь. Содержание урана в некоторых природных материалах доходит до 60 %, но в большинстве урановых руд оно не превышает 0,05-0,5 %. В процессе добычи при получении 1 тонны радиоактивного материала образуется до 10-15 тыс. тонн отходов, а при переработке от 10 до 100 тыс. тонн. Из отходов (содержащих незначительное количество урана, радия, тория и других радиоактивных продуктов распада) выделяется радиоактивный газ – радон-222, который при вдохе вызывает облучение тканей лёгких. При обогащении руды радиоактивные отходы могут попасть в близлежащие реки и озёра. При обогащении уранового концентрата возможна некоторая утечка газообразного гексафторида урана из конденсационно-испарительной установки в атмосферу. Получаемые при производстве тепловыделяющих элементов некоторые урановые сплавы, стружки, опилки могут воспламеняться во время транспортировки или хранения, в результате в окружающую среду могут быть выброшены значительные количества отходов сгоревшего урана.

3. Ядерный терроризм. Участились случаи кражи ядерных материалов, пригодных для изготовления ядерных боеприпасов даже кустарным способом, а также угрозы вывода из строя ядерных предприятий, кораблей с ядерными установками и АЭС с целью получения выкупа. Опасность ядерного терроризма существует и на бытовом уровне.

4. Испытания ядерного оружия. За последнее время достигнута миниатюризация ядерных зарядов для испытаний.

Устройство ионизирующих источников излучения

По устройству ИИИ бывают двух типов – закрытые и открытые.

Закрытые источники помещены в герметизированные контейнеры и представляют опасность лишь в случае отсутствия должного контроля за их эксплуатацией и хранением. Свою лепту вносят и воинские части, передающие списанные приборы в подшефные учебные заведения. Утери списанного, уничтожение за ненадобностью, кражи с последующей миграцией. Например, в Братске на заводе стройконструкций, ИИИ, заключенный в свинцовую оболочку, хранился в сейфе вместе с драгоценными металлами. И когда грабители взломали сейф, то они решили, что эта массивная болванка из свинца – тоже драгоценная. Украли её, а затем честно поделили, распилив пополам свинцовую «рубашку» и заточенную в ней ампулу с радиоактивным изотопом.

Ионизирующее излучение - это любое излучение, вызывающее ионизацию среды, т.е. протекание электрических токов в этой среде, в том числе и в организме человека, что часто приводит к разрушению клеток, изменению состава крови, ожогам и другим тяжелым последствиям.

Источники ионизирующих излучений

Источниками ионизирующих излученийявляются радиоактивные элементы и их изотопы , ядерные реакторы , ускорители заряженных частиц и др. Рентгеновские установки и высоковольтные источники постоянного тока относятся к источникам рентгеновского излучения . Здесь следует отметить, что при нормальном режиме их эксплуатации радиационная опасность незначительна. Она наступает при возникновении аварийного режима и может долго проявлять себя при радиоактивном заражении местности.

Существенную часть облучения население получает от естественных источников радиации: из космоса и от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Наиболее весомым из этой группы является радиоактивный газ радон, залегающий практически во всех грунтах и постоянно выделяющийся на поверхность, а главное, проникающий в производственные и жилые помещения. Он почти не проявляет себя, так как не имеет запаха и бесцветен, что затрудняет его обнаружение.

Ионизирующие излучения разделяются на два вида: электромагнитное (гамма-излучение и рентгеновское излучение) и корпускулярное, представляющее собой a- и β-частицы, нейтроны и др.

Виды ионизирующих излучений

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию ионов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в атомной энергетике, технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и т. п. Работа с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений представляет потенциальную угрозу здоровью и жизни людей, которые участвуют в их использовании.

К ионизирующим относятся два вида излучений:

1) корпускулярное (α- и β-излучения, нейтронное излучение);

2) электромагнитное (γ-излучение и рентгеновское).

Альфа-излучение - это поток ядер атомов гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде вещества или при ядерных реакциях. Значительная масса α-частиц ограничивает их скорость и увеличивает число столкновений в веществе, поэтому α-частицы обладают высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Пробег α-частиц в воздухе достигает 8÷9 см, а в живой ткани - несколько десятков микрометров. Это излучение не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие a- частицы, не попадут внутрь организма через рану, с пищей или вдыхаемым воздухом; тогда они становятся чрезвычайно опасными.

Бета -излучение - это поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде ядер. По сравнению с α-частицами β-частицы обладают значительно меньшей массой и меньшим зарядом, поэтому у β-частиц выше проникающая способность, чем у α-частиц, а ионизирующая способность ниже. Пробег β-частиц в воздухе составляет 18 м, в живой ткани - 2,5 см.

Нейтронное излучение - это поток ядерных частиц, не имеющих заряда, вылетающих из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности при делении ядер урана и плутония. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 кЭВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 кЭВ) и быстрые нейтроны (от 500 кэВ до 20 МэВ). При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее как из заряженных частиц, так и из γ-квантов. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у α-частиц или β-частиц. Для быстрых нейтронов длина пробега в воздухе составляет до 120 м, а в биологической ткани - 10 см.

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц (10 20 ÷10 22 Гц). Гамма-излучение обладает малым ионизирующим действием, но большой проникающей способностью и распространяется со скоростью света. Оно свободно проходит через тело человека и другие материалы. Это излучение может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита.

Рентгеновское излучение также представляет собой электромагнитное излучение, возникающее при торможении быстрых электронов в веществе (10 17 ÷10 20 Гц).

Понятие о нуклидах и радионуклидах

Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу «нуклидов». Большинство нуклидов нестабильны, т.е. они все время превращаются в другие нуклиды. Например, атом урана-238 время от времени испускает два протона и два нейтрона (a-частицы). Уран превращается в торий-234, но торий также нестабилен. В конечном итоге эта цепочка превращений оканчивается стабильным нуклидом свинца.

Самопроизвольный распад нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид - радионуклидом.

При каждом распаде высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Поэтому можно сказать, что в определенной степени испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, - это a-излучение, испускание электрона - β-излучение, и, в некоторых случаях, возникает g-излучение.

Образование и рассеивание радионуклидов приводит к радиоактивному заражению воздуха, почвы, воды, что требует постоянного контроля их содержания и принятия мер по нейтрализации.