Ионизирующие излучения

Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, в результате воздействия которых на среду образуются разнозаряженные ионы.

Различные виды излучений сопровождаются высвобождением определенного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на организм. Наибольшую опасность для человека представляют радиоактивные излучения, такие как g-, рентгеновское, нейтронное, a- и b-излучения.

Рентгеновское и g-излучения представляют собой потоки квантовой энергии. Гамма-излучение обладает более короткими длинами волн по сравнению с рентгеновским. По своей природе и свойствам эти излучения мало отличаются друг от друга, обладают большой проникающей способностью, прямолинейностью распространения и свойством создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходят. Однако если рентгеновские лучи обычно получают с помощью электронного аппарата, то g-лучи испускаются нестабильными или радиоактивными изотопами.

Электроны – легкие отрицательно заряженные частицы, существующие во всех стабильных атомах. Электроны очень часто образуются во время радиоактивного распада вещества, и тогда их называют b-частицами. Их можно получать и в лабораторных условиях. Энергия, теряемая электронами при прохождении через вещество, расходуется на возбуждение и ионизацию, а также на образование тормозного излучения.

Когда ионизирующее излучение проходит сквозь живые организмы, оно передает свою энергию биологическим тканям и клеткам неравномерно. В результате, несмотря на небольшое количество поглощенной тканями энергии, некоторые клетки живой материи будут значительно повреждены. Суммарный эффект ионизирующего излучения, локализованного в клетках и тканях, представлен в табл.6.1.

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул могут лежать два механизма:

1) прямое действие, когда данная молекула испытывает изменения (ионизацию, возбуждение) непосредственно при взаимодействии с излучением;

2) косвенное действие, когда молекула непосредственно не поглощает энергию ионизирующего излучения, а получает ее путем передачи от другой молекулы.

Известно, что в биологической ткани 60-70% массы составляет вода. Поэтому радиолиз воды является принципиально важным процессом, в ходе которого образуются короткоживущие радикалы и заряженные частицы, обладающие чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10^-5 с. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом.

В клетке живого организма ситуация значительно более сложная, чем при облучении воды, особенно в том случае, если поглощающим веществом являются крупные и многокомпонентные биологические молекулы. В этом случае образуются органические радикалы, отличающиеся крайне высокой реакционноспособностью. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву химических связей биологических молекул. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутке между образованием ионных пар и формированием конечных химических продуктов.

Кроме того, биологическое действие усиливается за счет влияния кислорода.

Таблица 6.1.

Биологическое действие ионизирующего излучения

Характер воздействия	Стадии воздействия	Время воздействия	Эффект воздействия
Непосредственное действие излучений		10-24…10-4 с	Поглощение энергии. Начальные взаимодействия излучения
	10-12…10-8 с	Физико-химическая стадия. Перенос энергии в виде ионизации на первичной траектории. Ионизованные и электронно-возбужденные молекулы
	10-7…10-5 с, несколько часов	Химические повреждения. Прямое действие. Косвенное действие. Свободные радикалы, образующиеся из воды. Возбуждение молекулы до теплового равновесия
Косвенное действие излучений		Микросекунды, секунды, минуты, несколько часов	Биомолекулярные повреждения. Изменения молекул белков, нуклеиновых кислот под влиянием процессов обмена
	Минуты, часы, недели	Ранние биологические и физиологические эффекты. Биохимические повреждения. Гибель клеток, гибель отдельных животных
	Годы, столетия	Отдаленные биологические эффекты. Стойкое нарушение функций. Генетические мутации, действие на потомство. Соматические эффекты: рак, лейкоз, сокращение продолжительности жизни, гибель организма

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и молекулы окислителя, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, – токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных систем или организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение.

Нежелательные радиационные эффекты воздействия облучения на организм человека условно делятся на соматические (soma – по-гречески «тело») и генетические (наследственные). Соматические эффекты проявляются непосредственно у самого облученного (лучевая болезнь, лучевое бесплодие, злокачественные опухоли, лейкозы), а генетические – у его потомства (аномалии в развитии плода, наследственные болезни).

Самые разнообразные проявления поражающего действия ионизирующих излучений на организм называют лучевой болезнью. Многообразие этих проявлений зависит прежде всего от вида облучения (общее или местное, внешнее или от инкорпорированных радиоактивных веществ), временного фактора (однократное, повторное, хроническое облучение), равномерности поля (равномерное или неравномерное облучение) и т.п.

Связь понятий и величин, характеризующих радиационную опасность, представлена на рис.6.1.

Рис. 6.1. Связь понятий «доза», «поле», «радиобиологический эффект» и единиц их измерения

Радиационную опасность используемого радиоактивного вещества оценивают по активности (А) – величине, характеризующей число радиоактивных распадов в единицу времени, выраженной в кюри или Беккерелях (Кюри (Ки) соответствует 3,7_*10¹⁰ ядерных превращений в 1 с; Беккерель (Бк) – распад в 1 с):

Для количественной оценки ионизирующего действия поля фотонного излучения введено понятие экспозиционной дозы (D_э) представляющей собой отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданного в сухом атмосферном воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с определенной массой, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме. За единицу экспозиционной дозы D_э (в системе СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг) – доза, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой 1 кг, производят ионы, несущие электрический заряд 1 Кл каждого знака. Допускается также внесистемная единица рентген (Р) – доза фотонного излучения, при прохождении которой через 0,001293 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака:

Для перехода от экспозиционной дозы (характеристики поля) к поглощенной дозе (характеристике взаимодействия поля и облучаемой среды) необходимо знать свойства этой среды. При одном и том же поле воде будет передана меньшая энергия, чем элементам, находящимся в середине Периодической таблицы Д.И. Менделеева и тем более тяжелым элементам. Поглощенная доза (D_п), т.е. энергия, поглощенная единицей массы вещества, на которое действует поле излучения, характеризует радиационный эффект для всех видов физических и химических тел, кроме живых организмов. Единицей ее измерения в системе СИ является грей (Гр), равный 1 Дж/кг. Допускается внесистемная единица рад (от англ. radiation absorbed dose – единица поглощенной дозы) соответствует 100 эрг/г или 0,01 Гр):

Если радиационное поле представлено различными по виду и энергии излучениями с различными W_R, то для оценки радиационной опасности облучения человека в таком поле вводится специальная эквивалентная доза (Н_т). Она равна сумме произведений поглощенных доз компонентов излучения на соответствующие взвешивающие коэффициенты. Коэффициенты зависят от вида излучения

В качестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв) – доза, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний взвешивающий коэффициент излучения равно 1 Дж/кг. Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада).

Н_т = åW_R D_п (6.1.)

где D_п – поглощенная доза, усредненная по тканям или органам; W_R – взвешивающий коэффициент излучения

Эффективной дозой (Н_Е) называется величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты (табл. 6.2.):

Н_Е = å W_Т Н_Т при условии, что åW_T = 1 (12.5.)

^Т

где Н_Т – эквивалентная доза в органе или ткани; W_Т – взвешивающий коэффициент для органа или ткани.

Единица эффективной дозы – зиверт (Зв).

Таблица 6.2.

Взвешивающие коэффициенты W_Т для тканей и органов

Ткань или орган	Взвешивающий коэффициент WТ
Гонады	0,20
Костный мозг (красный), толстый кишечник, легкие, желудок	0,12
Мочевой пузырь, грудная железа, печень, пищевод, щитовидная железа	0,05
Кожа, клетки костных поверхностей	0,01
Остальное	0,05

Нормирование. В настоящее время в Российской Федерации действуют Санитарные правила СП 2.6.1.758-99 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99)», с введением которых все ранее действовавшие нормативные документы по радиационной безопасности считаются утратившими силу.

Согласно НРБ-99 нормирование в радиационной безопасности ведется по пределам доз (табл.6.3.)

Предел дозы (ПД) – величина годовой эффективной или эквивалентной дозы техногенного облучения, которая не должна превышаться в условиях нормальной работы. Соблюдение предела годовой дозы предотвращает возникновение детерминированных эффектов, а вероятность стохастических эффектов сохраняется при этом на приемлемом уровне.

Таблица 6.3.

Основные пределы доз (фрагмент)

Нормируемые величины *	Пределы доз
персонал (группа А) **	население
Эффективная доза	20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год	1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год

* Допускается одновременное облучение до указанных пределов по всем нормируемым величинам.

** Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни облучения персонала группы Б, равны 1/4 значений для персонала группы А. Далее в тексте все нормативные значения для категории персонал приводятся только для группы А.

Основные пределы доз облучения не включают в себя дозы от природного и медицинского облучения, а также дозы вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются специальные ограничения.

Основу системы радиационной безопасности, сформулированной в данных Нормах, составляют современные международные научные рекомендации, опыт стран, достигших высокого уровня радиационной защиты населения, и отечественный опыт. Данные мировой науки показывают, что соблюдение Международных основных норм безопасности, которые легли в основу Норм, надежно гарантирует безопасность работающих с источниками излучения и всего населения.

Нормы радиационной безопасности относятся только к ионизирующему излучению. В Нормах учтено, что ионизирующее излучение является одним из множества источников риска для здоровья человека и что риски, связанные с воздействием излучения, не должны соотноситься только с выгодами от его использования, но их следует сопоставлять и с рисками нерадиационного происхождения.

Дозиметрия. Чтобы предотвратить переоблучение работающих, необходим дозиметрический контроль, при проведении которого используются разнообразные приборы.

Дозиметрические приборы в помещениях оборудуются световой и звуковой сигнализацией, предупреждающей персонал о повышении уровня излучения.

В настоящее время разработано большое число различных приборов дозиметрического контроля, в основу которых положены следующие методы:

- ионизационный, основанный на способности излучения ионизировать воздух;

- сцинтилляционный, основанный на способности некоторых кристаллов испускать вспышки видимого света при поглощении энергии ионизирующих излучений;

- фотографический, основанный на способности фотографической эмульсии чернеть при воздействии на нее ионизирующего излучения.

Большинство выпускаемых дозиметрических (регистрирующих суммарную ионизацию) и радиометрических (определяющих количество радионуклидов по интенсивности испускаемых ионизирующих излучений) приборов не являются универсальными и могут использоваться в сравнительно небольшом диапазоне энергий.

В данной области не существует универсальных методов и приборов, применяемых в любых, каких угодно условиях. Каждый метод и прибор имеет свою область применения. Использование его за пределами этой области может привести к грубым ошибкам.

Защита при работе с источниками ионизирующего излучения. При работе с источниками ионизирующих излучений важное значение приобретает правильная организация труда, которая обеспечивает радиационную безопасность обслуживающего персонала и всего населения в целом.

Безопасность должна быть характерной чертой самих технологических процессов. В любом случае выгоднее правильно спроектировать производство, чем потом создавать различные средства защиты от вредных воздействий. Если необходимо использование источника ионизирующего излучения, то его следует держать подальше от работающих во избежание возможного контакта или удалить настолько, чтобы его вредное воздействие не сказывалось. Телекамеры позволяют наблюдатьза местами, пребывание в которых нежелательно для человека, а производственные операции, сопряженные с опасностью облучения, можно осуществлять при помощи дистанционного управления.

Из закономерностей распространения ионизирующих излучений и характера их взаимодействия с веществом вытекают основные принципы обеспечения радиационной безопасности персонала:

- уменьшение мощности источников до минимальных величин («защита количеством»);

- сокращение времени работы с источниками («защита временем»);

- увеличение расстояния от источников до работающих («защита расстоянием»);

- экранирование источников излучения материалами, поглощающими ионизирующие излучения («защита экранами»).

Толщина защитного экрана рассчитывается на основе законов ослабления излучений в веществе экрана. Ее можно определить по справочным таблицам и номограммам.

При работе с закрытыми источниками не предъявляются какие-либо специальные требования к внутреннему устройству и отделке помещений.

Обязательна вентиляция в соответствии со специальными нормами проектирования.

В нерабочем положении все изотопные источники должны находиться в специальных защитных устройствах, а неизотопные – должны быть обесточены.

Контрольные вопросы по разделу 6

1. Какое излучение называется ионизирующим?

2. Какое излучение возникает в результате воздействия на среду потоков частиц и электромагнитных квантов, приводящих к образованию разнозаряженных

ионов?

3. Характеристика различных видов ионизирующего излучения

4. Биологическое действие ионизирующего излучения (по табл. 6.1.)

5. Какие механизмы лежат в основе первичных радиационно-химических изменений молекул?

6. Особенности соматических и генетических радиационных эффектов

7. Используя рис. 6.1., связать понятия «доза», «поле», «радиобиологический эффект» и единицы их измерения

8. Поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы, связь этих понятий

9. Основные представления о дозиметрии ионизирующих излучений

10. Общие представления о радиационной безопасности при работе с источниками ионизирующих излучений.