Понятие о дозе излучения и единицах ее измерения

Практическая работа

 

ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ОТ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы – ознакомиться с основными сведениями о воздействии ионизирующего излучения, нормированием и защитой от него, сфор-мировать практические навыки расчета организационных и технических мероприятий по защите персонала и населения от воздействия радиоактивных излучений.

Теоретические положения

Радиацией (лат. radio – излучаю) называется образование ионизирующего излучения, сопутствующее распаду радиоактивных атомов, т. е. атомов с неустойчивыми ядрами. Процесс этот полностью физический (не может быть следствием химических реакций), способный воздействовать на вещество таким образом, что в его составе появляются новые ионы разных знаков.

С ионизирующими излучениями население в любом регионе земного шара встречается ежедневно. Источники ионизирующего излучения делятся на естественные и искусственные. Естественные источники – это прежде всего так называемый радиационный фон Земли, который складывается из трех компонентов:

- космического излучения, приходящего на Землю из Космоса;

- излучения от естественных радиоактивных элементов находящихся в почве (например, радон), строительных материалах, воздухе и воде;

- излучения от природных радиоактивных веществ, которые с пищей и водой попадают внутрь организма, фиксируются тканями и сохраняются в теле человека в течение всей его жизни.

Кроме того, человек встречается с искусственными источниками излучения, включая радиоактивные нуклиды (радионуклиды), созданные руками человека и широко применяемые в народном хозяйстве. Сюда относится, например, ионизирующее излучение, используемое в медицинских целях. Поскольку от создавшегося радиационного фона человечество избавиться не может, все усилия должны быть направлены на уменьшение воздействия от источников ионизирующих излучений. А этого добиться можно. Мирное использование ядерной энергии необходимо человечеству, так как оно открывает новые возможности для улучшения жизни людей на Земле. В этом аспекте наиважнейшей задачей является создание максимально безопасной ядерной энергетики. Строго в соответствии с показаниями должно использоваться ионизирующее излучение в медицинской практике.

Воздействие ионизирующего излучения на организм человека чрезвычайно велико. В процессе облучения образуются свободные радикалы, способные разрушить целостность макромолекулярных цепочек (нуклеиновые кислоты и белки), привести к самопроизвольным химическим реакциям, спровоцировать массовую гибель клеток организма, мутагенез или канцерогенез.

По своей природе ионизирующее излучение бывает:

1) фотонным:

- γ-излучение (фотонное излучение, испускаемое при ядерных излучениях или при ассимиляции частиц);

- рентгеновское (фотонное излучение, состоящее из тормозногоили характеристического излучения. Под тормозным понимают излуче-ние, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, а под характеристическим – возникающее при изменении энерге-тического состояния электронов атома);

2) корпускулярным (ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля: α- и β-частицы, протоны, нейтроны и др.).

Понятие о дозе излучения и единицах ее измерения

Человеческий организм поглощает энергию ионизирующих излучений, причем от количества поглощенной энергии зависит степень лучевых поражений.

Для характеристики поглощенной энергии ионизирующего излучения единицей массы вещества используется понятие «поглощенная доза». Поглощенная доза – это количество энергии, поглощенной облучаемым веществом и рассчитанной на единицу массы этого вещества. Единица поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ) – грэй (Гр)

1 Гр = 1 Дж/кг.

Для оценки поглощенной дозы используется также внесистемная единица – рад:

1 рад = 0,01 Дж/кг; 1 Гр = 100 рад.

Рад является весьма крупной единицей измерения, и поэтому дозы облучения обычно выражаются в долях рад – сотых (сантирад), тысячных (миллирад) и миллионных (микрорад).

Например, радиационный фон Земли измеряется в миллиардах рад, а доза, полученная пациентом при однократном рентгеновском про-свечивании желудка, составляет несколько рад.

Существует несколько видов радиации, каждый из которых наделен специфическими свойствами, по-своему опасен для человека и требует особых мер радиационной защиты населения

Альфа-частицы, положительно заряженные тяжелые частицы, представляющие собой ядра гелия-4 и образующиеся в результате альфа-распада радиоактивных изотопов, относятся (наряду с бета-частицами и гамма-излучением) к наиболее опасным для человеческого организма, являются причиной возникновения серьезных заболеваний и генетических нарушений. Альфа-частицам свойственна высокая активность, в связи с чем для уничтожения живого организма (или, во всяком случае, повреждения очень большого числа клеток) может быть достаточно одной заряженной частицы. Однако благодаря той же активности достаточной мерой защиты от указанного типа радиации становится любое жидкое или твердое вещество, в том числе и простая одежда или лист бумаги.

Бета-частицы, или поток быстрых электронов, образующихся в результате бета-распада радиоактивных изотопов, обладают большей проникающей способностью, нежели альфа-частицы. Вызвано это их меньшей массой и зарядом, позволяющим расходовать энергию на значительном расстоянии. Достаточной мерой защиты от внешнего воздействия бета-частиц являются обувь и средства индивидуальной защиты.

Гамма-излучение, состоящее из фотонов, сходно по природе с видимым светом, но обладает большей проникающей способностью (может пронизывать живую ткань насквозь). Гамма-излучение имеет вторичную природу, т. е. образуется в результате альфа- и бета-распада либо при избытке энергии в атоме (например, при передаче и столкновении бета-частиц с другими атомами происходит выброс энергии, которая превращается в гамма-излучение).

Именно гамма-излучение служит своеобразным индикатором радиоактивности, по его присутствию можно судить о наличии других типов радиации. Гамма-излучение относится к так называемой проникающей радиации, распространяется чрезвычайно быстро, ионизирует атомы веществ, сквозь которые проходит, меняет их физическую структуру. Следствием проникающей радиации (гамма-излучение и потоки нейтронов) может стать лучевая болезнь, степень тяжести которой будет зависеть от дозы и площади излучения, состояния организма и времени, на протяжении которого она воздействовала.

Проходя через различные вещества, энергия гамма-излучения расходуется на взаимодействие с электронами атомов, потому степень ее ослабления находится в обратно пропорциональной связи с плотностью материала. Защитой от гамма-излучения может стать толстый слой свинца (или другого вещества c большим удельным весом). Однако даже такие преграды останавливают только часть излучения. Максимальный показатель – 50 %, которые гарантируют 1 сантиметр свинца, 5 сантиметров бетона или 10 сантиметров воды.

Потоки нейтронов, электрически нейтральных частиц, образующихся вследствие работы атомных реакторов, как и гамма-излучение, обладают огромной проникающей способностью и могут насквозь пронизывать живую ткань, нарушая биологические процессы. Потоки нейтронов также относятся к проникающей радиации, вызывают лучевую болезнь. Ослабление нейтронов происходит в основном за счет их столкновения с ядрами атомов вещества. Лучшей защитой от потоков нейтронов становятся слои более легких веществ (такие тяжелые вещества как металлы хуже ослабляют нейтронное излучение).

Для оценки радиационной обстановки на местности, в рабочем или жилом помещениях, обусловленной воздействием рентгеновского или γ-излучения, используют экспозиционную дозу облучения. Количество ра- диоактивной энергии, переданной организму, называется экспозиционной дозой. В СИ единица экспозиционной дозы – кулон на килограмм (Кл/кг). Однако на практике чаще используют внесистемную единицу – рентген (Р). Соотношение между этими единицами следующее: 1 Р = 2,58* Кл/кг (количество электрических зарядов, появившихся под воздействием ионизирующего излучения (ИИ) в единице массы вещества).

Поглощенной дозе 1 рад соответствует экспозиционная доза, при- мерно равная 1 Р, т. е. 1 рад ~1 Р.

Экспозиционная доза в 1 Р примерно соответствует поглощенной дозе D = 0,88 рад = 0,9 Гр.

Поглощенная доза не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе -излучение в двадцать раз опаснее β- или γ-излучений.

При облучении живых организмов возникают различные биологические эффекты, разница между которыми при одной и той же поглощен- ной дозе объясняется разными видами облучения. Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, с эффектами от рентгеновского и γ-излучения, т. е. вводится понятие об эквивалентной дозе.

В СИ единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв). Существует также внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирующего излучения – бэр (биологический эквивалент рентгена). 1 Зв = 100 бэр; 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Гр.

Коэффициент, показывающий, во сколько раз оцениваемый вид излучения биологически опаснее, чем рентгеновское и γ-излучение при одинаковой поглощенной дозе, называется коэффициентом качества из- лучения (К). Для рентгеновского и γ-излучения К = 1.

Таким образом, эквивалентная доза определяется произведением поглощенной дозы на коэффициент качества излучения:

1рад*K=1бэр

1 Гр *K=1Зв

При прочих равных условиях доза ионизирующего излучения тем больше, чем больше время облучения, т. е. доза накапливается со време- нем. Доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью дозы. Так, если мы говорим, что мощность экспозиционной дозы γ-излучения составляет 1 Р/ч, то это значит, что за 1 ч облучения человек получит дозу, равную 1 Р.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер. При этом изменение атомного номера приводит к превращению одного химического элемента в другой, изменение массового числа – к превращению изотопов данного элемента. Каждый акт распада сопровождается испусканием α- или β-частицы, или нейтрона, или -кванта (фотона), или определенным их сочетанием. Данные частицы способны прямо или косвенно ионизировать среду.

Ионизирующими называются такие излучения, которые, проходя че-рез среду, вызывают ее ионизацию. Энергию ионизирующего излучения из-меряют во внесистемных единицах электронвольтах (эВ), 1 эВ = 1,6 *  Дж = 3,8 * кал.

Нуклид – общее название атомов, различающихся числом нуклонов в ядре или, при одинаковом числе нуклонов, содержащих разное число про-тонов или нейтронов.

Радионуклид – нуклид, обладающий радиоактивностью.

Радиоактивное вещество (РВ) – вещество, имеющее в своем составе радионуклиды, следовательно, РВ – источник ионизирующего излучения (ИИ). Ионизировать вещество могут также частицы (фотоны), испускаемые специальными аппаратами, например рентгеновскими.

Активность радионуклида А в источнике – мера радиоактивности. Она равна числу спонтанных ядерных превращений в источнике за 1 с. Единица активности – беккерель (Бк). 1 Бк равен одному ядерному превращению (распаду) за 1 с: 1 Бк = 1 расп./с. Часто используется удельная активность (Бк/кг), объемная активность (Бк/л), поверхностная активность (Бк/м2). Внесистемная единица Кюри (Ки) 1 Бк = Ки