5.8. Основные характеристики ионизирующих излучений

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков.

Ионизирующее излучение в зависимости от источника, подразделяется на естественное и искусственное. Примерами естественного излучения являются излучение межзвездного пространства, радиоактивных элементов земной коры (например, радон). Источники этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях. Например, для измерения плотности почв, обнаружения течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней, антистатической обработки тканей, полимеризации пластмасс, радиационной терапии злокачественных опухолей и т.д. К радиационно опасным объектам относятся: предприятия ядерного топливного цикла; исследовательские ядерные установки различного назначения, атомные станции (рис.5.10); судовые ядерные энергетические установки; предприятия, использующие в своих технологиях радиоактивные вещества. Опасным явлением в настоящее время считается радиационная авария – техногенное происшествие на опасном по отношению к радиации объекте, сопровождающееся выходом радиоактивных веществ или ионизирующих излучений за предусмотренным проектом границы в количествах, превышающих установленные этим проектом значения, отмечает К.В. Чернов (2001).

Рис. 5.10. Общий вид Чернобыльской атомной станций после аварии

Одним из весьма важных видов последствий радиоактивного облучения, имеющего долгосрочный характер, является губительное действие на потомство. Генетические последствия не ограничиваются одним поколением. Они распространяются на несколько поколений и могут проявляться в повышенной частоте неблагоприятных исходов беременности, рождения детей с врожденными пороками развития или наследственными болезнями. Репродуктивные органы (семенники, яичники) и глаза (хрусталик) отличаются повышенной чувствительностью к облучению. Однократное облучение семенников дозой 10 рад приводит к временной стерильности мужчин. Погибшие клетки хрусталика становятся непрозрачными при дозах 200 рад. Некоторые органы взрослого человека могут переносить облучение (рад): почки – 2300, печень – 4000, мочевой пузырь – 5500 в течение 5 недель суммарно. На существующих в мире пяти ядерных полигонах: Невада (США) и (Англия), Новая Земля, Семипалатинск (Россия), Муруроа (Франция), Лобнер (Китай) и других районах к 1 октябрю 1992 г. было произведено 2059 ядерных взрывов. В том числе 1085 – США, 715 – СССР, 182 – Францией, 42 – Англией, Китаем – 35. Китай и Франция в 1993–1995 гг. произвели еще по 6 подземных взрывов. За время ядерных взрывов в биосферу было выброшено 12,5 т продуктов деления. В результате взрывов увеличилось содержание в атмосфере радионуклида углерода-14, в 100 раз превышающего радиоактивного изотопа Трития, на 2 % повысилось общее фоновое радиоактивное излучение поверхности земли. Испытания ядерного оружия привели к распространению радиоактивных изотопов по всей планете. С осадками они из атмосферы попали в почву и грунтовые воды, загрязняя окружающую среду, проникали в организм животных, растений и в пищу. По подсчетам А.Д. Сахарова, надземные взрывы внесли в биосферу до 5 т плутония и ответственны за гибель от рака и лейкемии 4–5 млн жителей земного шара. Последствия наземных взрывов будут проявляться несколько тысяч лет и скажутся на будущих поколениях.

Существуют два вида ионизирующих излучений:

► корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета-излучение и нейтронное излучение);

► электромагнитное (гамма()-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны.

Альфа()-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью и имеющих массу 4 и заряда 2⁺. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ. Длина их пробега в воздухе не превышает 10 см и зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. Скорость их движения примерно 20 тыс. км/с. В тканях человеческого тела длина пробега альфа-частиц составляет несколько микрометров.

Бета-излучение представляет собой поток электронов (^--излучение или чаще всего -излучение) или позитронов (⁺-излучение), возникающих при радиоактивном распаде.

Масса бета-частиц в несколько десятков раз меньше массы альфа-частиц. В зависимости от природы источника бета-излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3–0,99 скорости света, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела – 2, см. Проникающая способность бета-частиц выше из-за меньшей массы и заряда, чем альфа-частиц, но ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения.

Нейтринное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона примерно в 4 раза меньше альфа-частиц. Вероятная скорость движения нейтроном при температуре +20–+22⁰С составляет 2200 м/с. Длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, для быстрых нейтронов соответственно – 120 и 10 см.

Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтрино/см²·с).

Гамма-излучение () представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны (2·10^-2 нм). Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01 – 3МэВ) и малая длина волны обусловливает большую проникающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-и бета излучение. Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения; его энергия обычно не превышает 1 МэВ. Рентгеновское, как и гамма-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения. Единицы измерения Кюри (Ки), беккерель (Бк). 1Ки = 3,7·10¹¹ Бк (табл. 5.20).

Таблица 5.20. Единицы радиоактивности и дозы радиоактивного облучения

Проходя через вещество и биоткань, ионизирующее излучение передает им энергию, в результате чего происходит следующее:

● местный разогрев тканей, через которое создает ионизирующее излучение (ИИ);

● возбуждение атомов и молекул, которые становятся свободными радикалами, приобретают высокую химическую активность и способность образовывать необычные химические соединения;

● ионизация атомов и молекул; последствия те же, что и выше, но они выражены в большей степени;

● разрушение молекул, в том числе ДНК и РНК в результате чего возможно появление мутирующих клеток, которые являются предвестниками злокачественных опухолей.

Под воздействием ИИ возникают детерминированные (определенные) и стохастические (случайные) эффекты. Детерминирование характерно при облучении большими дозами и стохастически (случайно) – малыми.

Установлено, что тяжелые заряженные частицы -частицы сильно взаимодействуют с веществом, через которые они проходят. Поэтому длина свободного пробега её в воздухе не более 2 см, а в том числе на коже – доли миллиметров. Следовательно, при внешнем облучении или всего тела дозы будут создаваться на кожном покрове.

Гамма-излучение, напротив, является одним из самых проникающих. Его лучи пронизывают человека насквозь и поэтому при этом облучении дозы создаются во всём теле.

Поглощенная доза – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением единице массы облучаемого вещества.

Эквивалентная доза – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения.

Эффективная коллективная доза – величина, определяющая полное воздействие излучения на группу людей.

Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы излучения. Дозой излучения называется часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества, которое является поглощенной дозой (Д), равной отношению средней Е, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе облученного вещества в этом объеме m:

Д = _.

Поглощенная доза – основная дозиметрическая величина. В системе Си в качестве единицы поглощенной дозы принята величина грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 эрг. 1 рад = 10^-2 Гр.

Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (Н). Эта величина представляется как произведение поглощенной дозы Д на средний коэффициент качества излучения W_R (безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т.е.

Н = Д  W_R .

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв). 1 Зв = 100 Бэр (табл. 5.21).

Таблица 5.21. Значение W_R для различных видов излучения

Существует еще одна характеристика ионизирующего излучения – мощности дозы (Х) (соответственно поглощенной, экспозиционной или эквивалентной), представляющая собой приращение за малый промежуток времени х, деление на этот промежуток времени t. Мощность экспозиционной дозы (Х или W, Кл/кг·с) находят из выражения

Аналогично рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или эквивалентной (Зв/с) доз (табл. 5.22).

Эффективная доза (Е) – величина, используемая мера возникновениял отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Её исчисляют по формуле:

Е = ∑ W_T · H _rT,

где Н_гТ – эквивалентная доза в ткани Т за время г;

W_T – взвешенный коэффициент для ткани Т.

Таблица 5.22. Основные дозовые пределы

Приведенные в табл. 5.22 основные дозовые пределы облучения не включают в себя дозы от природных и медицинских источников ионизирующего излучения и дозу вследствие радиационных аварий, поскольку на них устанавливаются ограничения. В нормах радиационной безопасности – 96 (НРБ-96) особо нормируются дозовые пределы для женщин, для студентов в возрасте до 21 года, использующих при обучении источники ионизирующих излучений, для лиц, проходящих медицинское обследование (годовая эффективная доза облучения последних не должна превышать 1 мЗв). В рассматриваемом документе установлены также требования по ограничению облучения населения в условиях радиационной аварии.