2020-04-12
1422
«Основы защиты от ионизирующих излучений»
Цель работы: ознакомление студентов с основными сведениями о биологическом воздействии ионизирующего излучения, нормировании и защите от него.
1. Общие сведения
Радиоактивность – это способность ядер некоторых химических элементов самопроизвольно распадаться с образованием ядер новых химических элементов и испусканием ионизирующего излучения.
Ионизирующими называются такие излучения, которые, проходя через среду, вызывают ее ионизацию. Энергию ионизирующего излучения измеряют во внесистемных единицах электрон-вольт (эВ), 1 эВ = 1,6·10-19Дж. Ультрафиолетовое излучение и видимый свет не относят к ионизирующим.
По своей природе ионизирующее излучение бывает:
1) фотонным:
- γ–излучение (фотонное излучение, испускаемое при ядерных излучениях или при ассимиляции частиц);
- рентгеновское излучение (фотонное излучение, состоящее из тормозного или характеристического излучения. Под тормозным понимают излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, а под характеристическим – возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома);
|
|
|
2) корпускулярным (ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля: α- и β-частицы, протоны, нейтроны и др.).
В организме человека ионизирующие воздействия вызывают цепочку обратимых и необратимых изменений. Пусковым механизмом воздействия являются процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в тканях. Важную роль в формировании биологических эффектов играют свободные радикалы Н+ и ОН-, которые образуются в результате радиолиза воды (в организме человека содержится до 70% воды). Обладая высокой активностью, они вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других элементов биологической ткани, что приводит к нарушению биохимических процессов в организме. В процесс вовлекаются сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В результате нарушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций органов и систем организма. Под влиянием ионизирующих излучений в организме происходит нарушение функции кроветворных органов, увеличение проницаемости и хрупкости сосудов, расстройство желудочно-кишечного тракта, снижение сопротивляемости организма, его истощение, перерождение нормальных клеток в злокачественные и др. Эффекты развиваются в течение разных промежутков времени: от долей секунд до многих часов, дней, лет.
|
|
|
Радиационные эффекты принято делить на две группы:
- соматические (проявляются в форме острой и хронической лучевой болезни, локальных лучевых повреждений, например, ожогов, а также в виде отдельных реакций организма, таких как лейкоз, злокачественные опухоли, раннее старение организма);
- генетические (могут проявиться в последующих поколениях).
Острые поражения развиваются при однократном равномерном γ–облучении всего тела и поглощенной дозе свыше 0,25 Гр (Гр (грей) –единица измерения поглощенной дозы, внесистемная единица – рад, 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг). При дозе 0,25 – 0,5 Гр могут наблюдаться временные изменения в крови, которые быстро нормализуются. В интервале 0,5 – 1,5 Гр возникает чувство усталости, мене 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 продолжительным снижением числа лимфоцитов в крови (лимфопенией), возможна 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 в первые сутки – 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 60% случаев к смерти в течение первого месяца. При дозах, превышающих 6,0 – 9,0 Гр, почти в 100% случаев крайне тяжелая форма лучевой болезни заканчивается смертью из-за 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 летальных 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 формы являются изменения в крови, нарушения со стороны нервной системы, локальные поражения кожи, повреждения хрусталика глаза, снижение иммунитета организма.
Степень воздействия радиации зависит от того, является облучение внешним или внутренним (при попадании радиоактивного изотопа внутрь организма). Внутреннее облучение возможно при вдыхании, заглатывании изотопов и проникновении их в организм человека через кожу. Некоторые вещества поглощаются и накапливаются в конкретных органах, что приводит к высоким локальным дозам радиации. Например, изотопы кальция, радия, стронция накапливаются в костях, изотопы йода вызывают повреждение щитовидной железы, изотопы редкоземельных металлов – преимущественно опухоли печени. Равномерно распределяются изотопы цезия, рубидия, вызывая угнетение кроветворения, повреждения семенников, опухоли мягких тканей. При внутреннем облучении наиболее опасны альфа-излучающие изотопы полония и плутония.
Гигиеническая регламентация ионизирующего излучения осуществляется 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 (категория А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (категория Б);
- все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий в их производственной деятельности.
Для категорий облучаемых лиц устанавливают три класса нормативов:
1 – основные пределы доз;
2 – допустимые уровни, соответствующие основным пределам доз;
|
|
|
3 – контрольные уровни.
Основные пределы доз не включают в себя дозы от природных и медицинских источников ионизирующего излучения, а также дозу вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются специальные ограничения.
Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) – 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) – 70 мЗв (Зв (зиверт) = Дж/кг, внесистемная единица – бэр, 1 Зв = 100 бэр). Кроме этого, задаются допустимые уровни общего радиоактивного загрязнения рабочих поверхностей, кожи (в течение рабочей смены), спецодежды и средств индивидуальной защиты.
Для защиты от ионизирующего излучения необходимо:
- увеличивать расстояние от источника излучения;
- экранировать излучения с помощью экранов и биологических защит;
- применять средства индивидуальной защиты.
Для снижения уровня излучения до допустимых величин между источником излучения и защищаемым объектом (человеком) устанавливают экраны. Для выбора типа и материала экрана, его толщины используют данные по кратности ослабления излучений различных радионуклидов и энергий, представленные в виде таблиц или графических зависимостей.
Кратность ослабления К – это отношение мощности дозы перед экраном к мощности дозы за экраном. Зная допустимую мощность дозы для защищаемого объекта и мощность источника излучения при отсутствии экрана, можно определить требуемую кратность ослабления К и, выбрав материал, по графикам или таблицам определить его необходимую толщину.
Выбор материала защитного экрана определяется видом и энергией излучения. α – частицы, хотя и обладают высокой ионизирующей способностью, быстро теряют свою энергию. Поэтому для защиты от α – излучения достаточно 10 см слоя воздуха. При близком расположении от α – источника обычно применяют экраны из органического стекла. Однако распад α – нуклида может сопровождаться β – и γ – излучением. В этом случае должна устанавливаться защита от этих видов излучений.
|
|
|
Для защиты от β – излучения рекомендуется использовать материалы с малой атомной массой (алюминий, плексиглас, карболит), которые дают наименьшее тормозное γ – излучение, которым обычно сопровождается поглощение β – частиц. Для комплексной защиты от от β – и тормозного γ – излучения применяют комбинированные дву – и многослойные экраны, у которых со стороны источника излучения устанавливают экран из материала с малой атомной массой, а за ним – с большой массой (свинец, сталь и т.д.).
Для защиты от γ – и рентгеновского излучений, обладающих очень высокой проникающей способностью, применяют материалы с большой атомной массой и плотностью (свинец, вольфрам, сталь, железо, бетон, чугун, кирпич и т.д.). Однако чем меньше атомная масса вещества экрана и чем меньше плотность защитного материала, тем большая требуется толщина экрана.
Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородосодержащие материалы, т.е. имеющие в своей химической формуле атомы водорода. Обычно применяют воду, парафин, полиэтилен. Кроме того, нейтронное излучение хорошо поглощается бором, бериллием, кадмием, графитом. Поскольку нейтронное излучение сопровождается γ – излучением, необходимо применять многослойные экраны из различных материалов: свинец – полиэтилен, сталь – вода и т.д. В ряде случаев для одновременного поглощения нейтронного и γ – излучения применяют водные растворы гидроксидов тяжелых металлов, например, гидроксид железа Fe(OH)3.
Конструкции защитных устройств разнообразны. Их можно выполнять в виде защитных боксов, сейфов для хранения радиоактивных препаратов, передвижных и стационарных экранов. При выделении радиоактивной пыли и газов боксы снабжают вытяжной вентиляцией.
2. Выполнение работы
Расчет защиты от внешнего источника излучения заключается в подборе материала для защиты и определения толщины защитного экрана для лиц обслуживающего персонала (категория А) или находящихся поблизости (категория Б) с учетом энергии излучения источника и расчетной кратности ослабления К, определяемой по формуле:
, (1)
где Д – поглощенная доза, рад; ПДД – предельно допустимая доза для лиц категории А или предельная доза (ПД) для лиц категории Б.
Поглощенная доза определяется с учетом продолжительности воздействия источника, его активности и расстояния от источника до исследуемой точки по формуле:
, (2)
где 
– ионизационная гамма-постоянная изотопа, рад·см2 / ч·мКю;
А – активность источника излучения, мКю;
t – продолжительность воздействия излучения, ч;
R – расстояние от источника до исследуемой точки, см
2.1. Исходные данные для выполнения работы (таблица)
| Наименование параметра | Вариант | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Источник ионизирующе-го излучения | Co60 | Ra226 | Na22 | Cs134 | Co60 | Ra226 |
| Активность ис-точника излу-чения А, мКю | 5,4 | 7,8 | 9,2 | 7,3 | 10,0 | 10,0 |
Ионизационная гамма-постоян-ная изотопа  , рад·см2 / ч·мКю
| 12,93 | 9,36 | 11,89 | 3,10 | 12,93 | 9,36 |
| Категория облучаемых лиц | Кате-гория А | Кате-гория Б | Кате-гория А | Кате-гория Б | Кате-гория А | Кате-гория Б |
| Продолжитель-ность воздейст-вия излучения t, час | 1800 | 2132 | 1800 | 2132 | 1800 | 2132 |
| Расстояние от источника до исследуемой точки (рабочего места) R, м | 0,5 | 2,5 | 1,4 | 2,5 | 0,21 | 2,0 |
Окончание таблицы
| Предельно до-пустимая доза (предельная доза) | 5 | 0,5 | 5 | 0,5 | 5 | 0,5 |
| Энергия излучения, мэВ | 1,25 | 2,75 | 0,90 | 1,00 | 0,80 | 9,00 |
2.2. Порядок выполнения работы
В соответствии с данными варианта задания рассчитать:
1. Поглощенную дозу Д (формула (2));
2. Кратности ослабления К (формула (1));
3. На основании приложения по известному коэффициенту ослабления К с учетом энергии излучения разработать рекомендации по безопасному ведению работ с рассматриваемым источником ионизирующего излучения (предложить материал для изготовления защитного экрана и его толщину).
Приложение
Толщина защиты, см
|
Кратность ослабления | Толщина защиты, см, при энергии излучения, мэВ | ||||||||
| 0,1 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,25 | 2,75 | 10 | ||
|
1,5 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,05 | 0,4 | 0,6 | 0,7 | 0,85 | 0,95 | 1,28 | 0,9 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 0,5 | 1,85 | 2,0 | 2,05 | 2,1 | 2,15 | 2,6 | 2,0 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 2,6 | 8,2 | 8,3 | 8,4 | 8,5 | 8,6 | 9,2 | 11,7 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 19,0 | 20,0 | 20,0 | 20,0 | 20,0 | 19,0 | 20,7 | - | |
|
2,0 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,1 | 0,8 | 1,0 | 1,15 | 1,3 | 1,5 | 2,07 | 1,35 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 0,7 | 2,9 | 3,1 | 3,2 | 3,3 | 3,45 | 4,3 | 3,4 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 4,7 | 12,4 | 12,6 | 12,7 | 12,9 | 13,3 | 15,0 | 18,9 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 21,0 | 27,0 | 27,0 | 28,0 | 28,0 | 28,0 | 33,0 | - | |
|
5,0 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,2 | 1,9 | 2,2 | 2,5 | 2,8 | 3,4 | 4,54 | 3,0 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 1,4 | 5,5 | 5,7 | 6,1 | 6,4 | 6,9 | 8,7 | 8,0 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 5,6 | 22,3 | 22,6 | 23,0 | 23,5 | 24,6 | 31,8 | 39,9 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 25 | 47 | 48 | 49 | 50 | 52 | 65 | - | |
|
10,0 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,3 | 2,35 | 2,85 | 3,5 | 3,8 | 4,5 | 6,4 | 4,2 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 1,9 | 7,3 | 7,7 | 8,1 | 8,5 | 9,3 | 11,9 | 11,4 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 8,2 | 27,6 | 28,4 | 29,1 | 29,9 | 31,9 | 42,0 | 54,0 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 30 | 58 | 60 | 61 | 62 | 66 | 85 | - | |
|
20,0 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,3 | 3,25 | 3,85 | 4,4 | 4,9 | 5,8 | 8,1 | 5,6 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 2,3 | 8,8 | 9,4 | 9,8 | 10,3 | 11,3 | 14,9 | 15,0 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 8,2 | 33,6 | 35,0 | 36,2 | 37,0 | 39,9 | 52,3 | 69,3 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 33 | 71 | 72 | 74 | 76 | 82 | 107 | - | |
Окончание приложения
|
30,0 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,35 | 3,65 | 4,3 | 4,95 | 5,5 | 6,5 | 9,1 | 6,3 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 2,4 | 9,8 | 10,4 | 10,9 | 11,4 | 12,6 | 16,6 | 17,0 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 8,5 | 36,4 | 37,8 | 39,2 | 40,5 | 43,7 | 57,9 | 78,1 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 37 | 77 | 79 | 81 | 83 | 89 | 118 | - | |
|
40,0 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,4 | 3,8 | 4,5 | 5,2 | 5,8 | 6,85 | 9,8 | 6,8 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 2,5 | 10,5 | 11,1 | 11,7 | 12,2 | 13,3 | 17,6 | 18,4 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 8,5 | 37,9 | 39,6 | 41,3 | 42,8 | 45,3 | 61,9 | 84,5 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 38 | 82 | 84 | 87 | 89 | 95 | 126 | - | |
|
50,0 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,4 | 3,95 | 4,6 | 5,3 | 6,0 | 7,2 | 10,4 | 7,3 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 2,9 | 11,0 | 11,6 | 12,2 | 12,7 | 13,9 | 18,6 | 19,6 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 9,9 | 39,4 | 41,2 | 42,8 | 44,6 | 48,5 | 64,8 | 89,8 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 39 | 85 | 88 | 90 | 93 | 99 | 133 | - | |
|
100 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,5 | 4,7 | 5,5 | 6,3 | 7,0 | 8,4 | 12,0 | 8,7 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 3,4 | 12,5 | 13,2 | 13,9 | 14,5 | 16,1 | 21,5 | 23,1 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 11,5 | 45,3 | 47,2 | 48,8 | 50,5 | 54,5 | 74,7 | 105,1 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 46 | 96 | 100 | 103 | 105 | 114 | 153 | - | |
|
200 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,6 | 5,3 | 6,3 | 7,2 | 8,0 | 9,65 | 13,8 | 10,2 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 4,2 | 14,0 | 14,8 | 15,6 | 16,3 | 18,0 | 24,3 | 26,6 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 12,7 | 50,5 | 52,6 | 54,6 | 56,4 | 60,8 | 84,6 | 120,9 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 48 | 107 | 111 | 115 | 118 | 127 | 172 | - | |
|
500 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,65 | 6,1 | 7,2 | 8,2 | 9,2 | 11,3 | 15,9 | 11,9 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 4,4 | 16,0 | 17,0 | 17,9 | 18,7 | 20,6 | 27,9 | 31,2 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 13,8 | 57,3 | 58,8 | 62,5 | 64,6 | 69,8 | 97,1 | 139,7 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 52 | 120 | 124 | 129 | 133 | 145 | 199 | - | |
|
1000 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 0,7 | 6,95 | 8,1 | 9,2 | 10,2 | 12,3 | 17,7 | 13,3 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 4,5 | 17,5 | 18,6 | 19,6 | 20,5 | 22,6 | 30,7 | 34,6 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 15,5 | 62,5 | 65,3 | 67,8 | 70,4 | 76,1 | 106,6 | 155,0 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 58 | 131 | 136 | 141 | 145 | 157 | 216 | - | |
|
10000 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 1,05 | 9,1 | 10,6 | 12,0 | 13,3 | 16,1 | 23,1 | 18,0 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 6,8 | 22,3 | 23,6 | 24,9 | 26,0 | 28,8 | 39,6 | 45,2 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 18,8 | 79,1 | 82,9 | 86,2 | 89,2 | 97,2 | 137,4 | 201,3 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 74 | 162 | 169 | 177 | 183 | 198 | 278 | - | |
|
100000 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 1,15 | 11,1 | 13,0 | 14,8 | 16,5 | 20,1 | 28,3 | 22,9 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 10,0 | 26,7 | 28,4 | 30,0 | 31,5 | 34,9 | 48,3 | 56,1 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 30,5 | 93,5 | 98,1 | 102,5 | 106,8 | 116,9 | 166,6 | 248,9 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 88 | 194 | 203 | 211 | 220 | 240 | 308 | - | |
|
1000000 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 1,45 | 13,1 | 15,3 | 17,5 | 19,5 | 23,5 | 33,6 | 27,7 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 12,8 | 31,2 | 33,3 | 35,2 | 37,0 | 41,1 | 56,8 | 67,0 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 49,3 | 109,2 | 114,1 | 119,5 | 124,4 | 140,2 | 193,0 | 295,8 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 102 | 224 | 234 | 245 | 254 | 279 | 396 | - | |
|
10000000 | Свинец (ρ=11,34 г/см3) | 1,7 | 15,2 | 17,8 | 20,3 | 22,5 | 27,5 | 38,9 | 32,5 |
| Железо (ρ=7,89 г/см3) | 15,0 | 35,8 | 38,1 | 40,2 | 42,4 | 47,1 | 65,1 | 78,0 | |
| Бетон (ρ=2,30 г/см3) | 64,0 | 123,6 | 130,0 | 136,2 | 142,0 | 160,0 | 225,8 | 340,5 | |
| Вода (ρ=1,00 г/см3) | 129 | 256 | 269 | 280 | 292 | 318 | 458 | - |
