ЗАЩИТА ОТ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЯХ

Ионизирующие излучения — явления, связанные с радиоактивностью.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер атомов (радионуклидов) изотопов одного химического элемента в изотопы другого химического элемента, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.

За единицу измерения радиоактивности принят Беккерель (Бк). Один Бк означает, что каждую секунду распадается один радионуклид. Другой единицей радиоактивности является Кюри (Ки). Один Ки — радиоактивность 1 г чистого радия, в котором за 1 с распадается 3,7 • Ю10 ядер. Таким образом, один Ки равен 3,7 • Ю10 Бк. Производными единицами радиоактивности являются кБк, мБк, мКи, мкКи.

К ионизирующим относятся корпускулярные частицы — альфа, бета и нейтроны, а также электромагнитные — рентгеновское и гамма- излучения.

Ионизирующие излучения при взаимодействии с веществом вызывают преобразование атомов и молекул в заряженные частицы — ионы. Ионизирующие излучения, проникая в различные среды, взаимодействуют с их атомами и молекулами. Это взаимодействие приводит к возбуждению последних и вырыванию электрона из электронной оболочки нейтрального атома. В результате атом, лишенный одного или нескольких электронов, превращается в положительно заряженный ион, т.е. происходит первичная ионизация. Выбитые при первичной ионизации электроны, обладающие определенной энергией, сами взаимодействуют со встречными атомами и также создают новые ионы — происходит вторичная ионизация. Электроны, потерявшие в результате многократных столкновений с атомами свою энергию, становятся свободными или «прилипают» к какому-либо нейтральному атому, образуя отрицательно заряженные ионы. На каждый акт ионизации и возбуждения в воздухе в среднем расходуется 34...35 эВ энергии. 1 эВ (электронвольт) — единица энергии, используемая в атомной физике, равная кинетической энергии электрона, приобретаемой им при прохождении разности потенциалов, равной 1 В. 1 эВ = 1,6 • 10 "19 Дж = 1,6 • 10 12эрг.

Основными характеристиками ионизирующих излучений являются: удельная ионизирующая способность (число пар ионов, образующихся на одном сантиметре пути распространения излучения в данной среде); длина пробега частицы или расстояние, на которое электромагнитное излучение способно ионизировать среду; скорость распространения излучения. Виды ионизирующих излучений приведены на рис. 9.1.

Три вида ионизирующих излучений и их проникающая способность

Рис. 9.1. Три вида ионизирующих излучений и их проникающая способность

Альфа-частицы (а-частицы) - положительно заряженные ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона. Это тяжелые частицы массой в 7360 раз больше массы электрона, высоких энергий от 4 до 9 МэВ, излучаемые исключительно ядрами тяжелых элементов - урана, плутония, тория, радона. Всего известно около 40 естественных и более 200 искусственных a-активных ядер. Их период полураспада изменяется от 10 _7 с до 2 • 10 17 лет.

Имея значительную массу, энергию и относительно небольшую скорость движения (25 000 км/с), альфа-частицы характеризуются высокой ионизирующей способностью — 40 000 пар ионов на 1 см пути воздуха. Вследствие большого расхода энергии на ионизацию длина пробега этих частиц незначительна и в воздухе составляет 8... 11 см, а в живой ткани — несколько десятков микрон. Альфа-частицы не могут проникнуть через одежду, через кожный эпителий, могут быть остановлены обычным листом бумаги и тонким слоем фольги, поэтому при внешнем облучении опасности не представляют. Альфа-частицы представляют опасность для человека при внутреннем облучении, когда радиоизотопы попадают в организм ингаляционным путем либо с пищей.

Бета-частицы (|3-частицы) - электроны и позитроны. Заряд бета- частиц в 2 раза, а масса более чем в 7000 раз меньше, чем альфа-частиц, их пробег в воздухе примерно в 1000 раз больше. Удельная ионизирующая способность бета-частиц в воздухе около 100 пар ионов на 1 см пути. Максимальная энергия бета-частиц находится в пределах от нескольких десятков килоэлектроновольт до 3,5 МэВ. Длина пробега в воздухе составляет несколько метров, а в живой ткани — 1,5 мм при скорости движения, равной скорости распространения электромагнитных волн. В металлах бета-частицы пробегают несколько миллиметров.

Бета-частицы задерживаются одеждой, а при внешнем облучении открытых участков тела могут задерживаться в кожном эпителии, вызывая его пигментацию и ожоги кожи, либо проникать через него, образуя язвы на теле. При торможении бета-частиц в веществе порождается тормозное рентгеновское излучение. Бета-частицы могут быть остановлены пластинкой алюминия толщиной несколько миллиметров, пластмассовым экраном.

Особую опасность бета-частицы представляют при попадании их во внутренние органы с пищей или ингаляционным путем.

Нейтроны — незаряженные частицы, возникающие в ядерных реакциях. Нейтроны проникают вглубь атома облучаемого вещества. Достигая ядер, нейтроны либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них, теряя значительную часть энергии и скорость. Нейтрон обладает весьма широким диапазоном энергий: от долей до десятков миллионов электронвольт. Особенно большое количество энергии нейтроны теряют при столкновении с почти равными им по массе ядрами атомов водорода (протий, дейтерий, тритий). Поэтому вещества, содержащие большое количество водорода (вода, графит, парафин), широко используют как для защиты от нейтронного излучения, так и для замедления движения нейтронов.

Атомные ядра вещества при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают альфа-частицы, бета-частицы и гамма-излучения.

При этих ядерных реакциях могут образовываться новые радиоактивные изотопы химических элементов и возникать наведенная радиоактивность, в свою очередь тоже вызывающая ионизацию.

При нейтронном облучении людей конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой вторичными частицами или фотонами гамма-излучения. Попадая в водосодержащие ткани живого организма, нейтроны передают свою энергию протонам, которые, в свою очередь, сильно ионизируют вещество. Нейтронное излучение имеет очень высокую проникающую способность. Защита от него сложна, даже невозможна.

Гамма-излучение — электромагнитное (фотонное) излучение, получаемое при ядерных распадах. Гамма-кванты электрически нейтральны, поэтому сами по себе ионизирующими свойствами не обладают. Гамма-излучение имеет большую проникающую способность через вещества с большой плотностью. Распространяются со скоростью света на расстояния в воздухе до нескольких сотен метров, не отклоняются в магнитных и электрических полях, дифрагируют на кристаллах. Тело человека пронизывают насквозь.

Ионизация вещества гамма-квантами происходит за счет передачи части энергии излучения электронам облучаемого вещества, разрыва их связи с ядрами атома и придания им начальной скорости движения, а уже те ионизируют среду.

Рентгеновское излучение — электромагнитное (фотонное) излучение с длинной волны от 10-14до 10-7 м, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов. Энергия фотонов не более 1 МэВ.

Биологическое действие ионизирующих излучений зависит от величины поглощенной дозы. Под поглощенной дозой понимают количество поглощенной энергии единицей массы облучаемого вещества. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название — грей (Гр). Внесистемная единица — рад (радиоактивная адсорбированная доза); 1 Гр= 100 рад. Поглощенная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью поглощенной дозы: Гр/с, Гр/ч, рад/с, рад/ч.

Для определения биологического действия различных видов излучения на организм человека используют эквивалентную дозу, которую вычисляют как произведение поглощенной дозы в органе или ткани на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения КВЗВИ. Взвешивающий коэффициент АГВЗВИ, Зв/Гр, для различных видов излучений приведен ниже.

Вид излучения

^взв и’ Зв/Гр

Фотоны любых энергий

1

Электроны, позитроны, бета-излучения

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 с энергией более 2 МэВ

5

Альфа-частицы, осколки ядер, тяжелые ядра

20

Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

Один зиверт — эквивалентная доза любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза радиации в 1 Гр образцового рентгеновского излучения.

Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рентгена). Один бэр — эквивалентная доза любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 рад образцового рентгеновского излучения. 1 бэр = 0,01 Зв.

Эквивалентная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью эквивалентной дозы: Зв/с, Зв/ч, бэр/с, бэр/ч.

Разные органы или ткани имеют различную чувствительность к излучению. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение гонад (половых желез) особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие эффективной эквивалентной дозы.

Эффективная эквивалентная доза — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов, с учетом их радиочувствительности. Она представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органе на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани АГВЗВ0. Единицей измерения эффективной эквивалентной дозы является зиверт (Зв).Значения взвешивающего коэффициента радиационного риска некоторых органов приведены ниже.

Облученный орган

^ВЗВ.О

Гонады

0,2

Красный костный мозг, толстый кишечник, легкие, желудок

0,12

Щитовидная железа, мочевой пузырь, молочная железа, печень, пищевод, надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка

0,05

Кожа, костные клетки

0,01

Действие ионизирующих излучений на любой живой объект при определенной дозе облучения приводит к его гибели.

Каждому биологическому виду свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующих излучений, которая характеризует его радиочувствительность.

Степень радиочувствительности сильно варьируется в пределах одного вида (индивидуальная чувствительность), а для определенного индивидуума зависит также от возраста и пола. Даже в одном организме различные клетки и ткани очень сильно различаются по рад иочувствител ьности.

Энергия ионизирующего излучения при прохождении через биологическую ткань передается атомам и молекулам. Это приводит к ионизации живой ткани и разрыву межмолекулярных связей и изменению химической структуры различных соединений. Изменение в химическом составе значительного числа молекул приводит к гибели клеток.

Под влиянием излучений в живой ткани происходит расщепление воды на атомарный водород и гидроксильную группу ОН', которые, обладая высокой химической активностью, вступают в соединение с другими молекулами ткани (белки, ферменты и др.) и образуют новые химические соединения, не свойственные здоровой ткани, — токсины. В результате происшедших изменений нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ нарушаются. Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением.

Под влиянием ионизирующих излучений в организме могут тормозиться функции кроветворных органов, нарушаться нормальная свертываемость крови и увеличиваться хрупкость кровеносных сосудов, нарушаться деятельность желудочно-кишечного тракта, в результате чего наступают истощение организма и снижение его сопротивляемости инфекционным заболеваниям.

Нежелательные радиационные эффекты воздействия облучения на организм человека условно подразделяют на соматические и генетические.

Соматические эффекты проявляются у самого облученного, а генетические — у его потомства.

Генетические эффекты проявляются вследствие мутаций — изменений наследственных свойств организма, возникающих естественно или вызываемых искусственно. Мутации возникают в результате перестройки и нарушений в генетическом материале организма (хромосомах и генах).

К соматическим эффектам условно относят непосредственные ранние эффекты облучения (острая или хроническая лучевая болезнь и локальные лучевые поражения), которые проявляются в течение нескольких недель, и его отдаленные последствия (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей и др.), проявляющиеся только через много месяцев или лет после облучения. Последствия облучения человека схематически показаны на рис. 9.2.

Последствия облучения людей

Рис. 9.2. Последствия облучения людей

Различные формы лучевой болезни развиваются при дозах выше

1 Гр.

Значения поглощенных доз, при которых возникают острые лучевые поражения человека, приведены ниже.

Лучевое поражение

Доза, Гр

Легкая степень острой лучевой болезни

1...2

Тяжелая лучевая болезнь, гибель ~ 50 %

4...6

Кишечная форма лучевой болезни

> 10

Нервная форма лучевой болезни

> 10

Местные поражения:

эритема кожи (первичная, вторичная):

8...10

пузырьки, трофические язвы

12...20

Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и т.д.), поглощенной в том же количестве биологическим объектом, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение. Так, при дозе облучения, вызывающей гибель живого организма, эквивалентная величина тепловой энергии едва ли больше энергии, заключенной в стакане горячего чая. Летальные дозы приведены на рис. 9.3.

Летальные исходы при значениях поглощенной дозы

Рис. 9.3. Летальные исходы при значениях поглощенной дозы

Рассмотренная выше картина лучевой болезни различной степени тяжести в зависимости от дозы относится к случаю однократного облучения всего тела. Если же облучение в этой дозе произвести не однократно, а растянуть по времени, то эффект облучения будет снижен вследствие восстановления лучевого поражения. Систематически повторяющиеся облучения в дозах, не вызывающих острой лучевой болезни, могут привести к хронической лучевой болезни, признаками которой являются изменения в составе крови и ряд симптомов со стороны нервной системы. Согласно установленным радиобиологическим данным, реакция организма на облучение может проявиться и в отдаленные сроки, через 10...20 лет. Такими реакциями могут быть лейкозы, злокачественные опухоли органов и тканей, катаракты, поражения кожи, старение, ведущее к преждевременной смерти.

По мнению большинства радиобиологов, сокращение продолжительности человеческой жизни составляет 0,1...1,5 сут на каждый миллизиверт.

Изоляция организма от естественной радиации вызывает в нем замедление самых фундаментальных жизненных процессов, в том числе деления клеток и межклеточного информационного объема.

Установлено, что малые дозы радиации, те, что на 5...6 порядков ниже признанных вредными, не только полезны, но и жизненно необходимы. В мире нет ничего бессмысленного или вредного. Малые дозы излучения укрепляют иммунитет, активизируют иммунную систему. Небольшие дозы ионизирующего излучения способны предотвращать спонтанный рак.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >