Ионизирующие излучения. Внешнее и внутреннее облучение

 

Внешнее и внутреннее облучения  требуют различные меры предосторожности, которые должны быть приняты против опасного действия радиации.

Внешнее облучение в основном создается гамма содержащими  радионуклидами, а также рентгеновским  излучением. Его поражающая способность  зависит от:

а) энергии излучения;

б) продолжительности действия излучения;

в) расстояния от источника  излучения до объекта;

г) защитных мероприятий.

Между продолжительностью времени  облучения и поглощенной дозой  существует линейная зависимость, а  влияние расстояния на результат  радиационного воздействия имеет  квадратичную зависимость.

Для защитных мероприятий  от внешнего облучения используются в основном свинцовые и бетонные защитные экраны на пути излучения. Эффективность  применения материала в качестве экрана для защиты от проникновения  рентгеновских или гамма-лучей  зависит от плотности материала, а также от концентрации содержащихся в нем электронов.

Если от внешнего облучения  можно защититься специальными экранами или другими действиями, то с внутренним облучением это сделать не представляется возможным.

Различают три возможных  пути, по которым радионуклиды способны попасть внутрь организма:

а) с пищей;

б) через дыхательные пути с воздухом;

в) через повреждения на коже.

Следует отметить, что радиоактивные  элементы плутоний и америций проникают  в организм в основном с пищей  или при дыхании и очень  редко через повреждения кожи.

 

Как отмечает Дж. Холл, органы человека реагируют на поступившие  в организм вещества исходя исключительно  из химической природы последних, вне  зависимости от того, являются они  радиоактивными или нет. Химические элементы такие как натрий и калий, входят в состав всех клеток организма. Следовательно, их радиоактивная форма, введенная в организм, будет также распределена по всему организму. Другие химические элементы имеют склонность накапливаться в отдельных органах, как это происходит с радиоактивным йодом в щитовидной железе или кальцием в костной ткани.

Проникновение радиоактивных  веществ с пищей внутрь организма  существенно зависит от их химического  взаимодействия. Установлено, что хлорированная  вода увеличивает растворимость  плутония, и как следствие инкорпорацию его во внутренние органы.

После того, как радиоактивное  вещество попало в организм, следует  учитывать величину энергии и  вид излучения, физический и биологический  период полураспада радионуклида. Биологическим  периодом полувыведения называют время, которое необходимо для выведения  из организма половины радиоактивного вещества. Некоторые радионуклиды выводятся  из организма быстро, и поэтому  не успевают нанести большого вреда, в то время как другие сохраняются  в организме в течение значительного  времени.

Период полувыведения  радионуклидов, существенно зависит  от физического состояния человека, его возраста и других факторов. Сочетание физического периода  полураспада с биологическим, называется эффективным периодом полураспада -- наиболее важным в определении  суммарной величины излучения. Орган, наиболее подверженный действию радиоактивного вещества называют критическим. Для  различных критических органов  разработаны нормативы, определяющие допустимое содержание каждого радиоактивного элемента. На основании этих данных созданы документы, регламентирующие допустимые концентрации радиоактивных  веществ в атмосферном воздухе, питьевой воде, продуктах питания. В  Беларуси в связи с аварией  на ЧАЭС действуют Республиканские  допустимые уровни содержания радионуклидов  цезия и стронция в пищевых  продуктах и питьевой воде (РДУ-92). В Гомельской области введены  по некоторым пищевым продуктам  питания, например детского, более жесткие  нормативы. С учетом всех вышеперечисленных  факторов и нормативов, подчеркнем, что среднегодовая эффективная  эквивалентная доза облучения человека не должна превышать 1 мЗв в год.

 

 

4. Основные виды доз

Существует несколько  способов выражения доз ионизирующих излучений. В связи с этим различают  поглощенную, экспозиционную, эквивалентную, эффективную эквивалентную, коллективную, керма и другие виды доз.

 

1) Поглощенная доза. Изменения,  происходящие в облучаемом объекте,  под воздействием различных видов  ионизирующего излучения зависят  от количества поглощенной энергии.  В связи с этим основной  физической величиной, принятой  в дозиметрии для оценки меры  воздействия ионизирующего излучения,  является поглощенная доза или  просто доза излучения.

Доза излучения (поглощенная  доза) D— Это поглощенная энергия  излучения Е, Рассчитанная на единицу  массы Т Облученного вещества: D = dE/dm

Поглощенная энергия может  быть усреднена по любому определенному  объему, и в этом случае средняя  доза будет равна полной энергии, переданной объему, отнесенной к массе  этого объема. В Международной  системе (СИ) поглощенная доза выражается в джоулях на килограмм массы (Дж/кг). Эта величина получила название Грей (Гр). При облучении человека 1 грей — крупная величина. Достаточно указать, что LD50 (доза, при которой  погибают 50% опытных животных) при  экстраполяции на человека составляет около 4Гр. Поэтому иногда используют другую, внесистемную единицу измерения  поглощенной дозы — Рад, Причем  1Рад =10-2 Гр. Рад — это поглощенная  доза, при которой количество поглощенной  энергии в 1 грамме вещества составляет 100 эрг независимо от вида и уровня энергии излучения.

 

2) Экспозиционная доза (X). Поглощенная доза является, пожалуй,  самым корректным способом выражения  дозы ионизирующего излучения.  Однако с измерением поглощенной  энергии излучения на практике  возникают определенные проблемы. Поэтому исторически раньше появился  более простой способ оценки  дозы излучения — по его  ионизирующей способности для  конкретной среды, в частности  для сухого воздуха. Этим способом  — экспозиционной дозой (или дозой в воздухе) ионизирующего излучения — оценивали дозу только фотонного излучения.

 

Экспозиционная доза —  это величина полного заряда Q ионов  одного знака, которые образуются в  воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонами в единице массы сухого атмосферного воздуха Т При нормальных условиях (при температуре 0 ° С и давлении 760 мм рт. ст.): X = Q / m.

Термин «экспозиционная  доза» применяют для характеристики рентгеновского и гамма-излучения  в диапазоне энергий 0,001—3 МэВ.

Установленная в СИ единица  измерения экспозиционной дозы —  Кулон, отнесенный к килограмму (Кл • кг-1). На практике и в научной  литературе распространена другая, внесистемная, единица экспозиционной дозы — Рентген (Р). Один рентген — это доза фотонного  излучения, при которой в I см3 сухого воздуха в процессе ионизации  образуется 2,079 • 109 пар ионов каждого  знака (или 1,61 • 1015 пар ионов в 1 кг воздуха).

Экспозиционная доза —  специфическая величина в дозиметрии и используется только для оценки внешнего рентгеновского или γ-излучения.

Это означает, что если живой  объект помещен в дозное поле, в  котором экспозиционная доза за определенное время оценивается значением 1Р (рентген), поглощенную дозу, полученную этим объектом, следует приблизительно оценить  в 1 рад.

Экспозиционная доза корректна  только для воздуха — объекта  с практической точки зрения менее  интересного и значимого, чем  биологические объекты (органы, ткани, организмы). Кроме того, интерпретация  экспозиционной дозы на биологические  объекты носит лишь приблизительный  характер. В связи с этим экспозиционной дозой в современной дозиметрии рекомендуется не пользоваться. В последнем варианте «Норм радиационной безопасности» (НРБ-99) этот вид дозы и ее мощность не упоминаются. В настоящее время практически прекращена разработка новых приборов для измерения экспозиционной дозы. С другой стороны, в силу многолетней традиции в радиологии, биологии и медицине этим видом дозы ионизирующего излучения и ее внесистемной единицей «рентген» пользуются достаточно широко. К примеру, фоновый уровень мощности дозы на той или иной территории Российской Федерации в СМИ до настоящего времени приводится в мкР/час.

 

3) Эквивалентная доза. Биологический  эффект облучения при прочих  равных условиях различен для  разных видов излучения прежде  всего потому, что он определяется  не только величиной поглощенной  энергии, но и характером распределения  этой энергии в облучаемом  объекте. Разные виды излучений  создают ионы с неодинаковым  пространственным распределением. Например, ά-частица, обладая значительными  величинами размера, массы, заряда  и энергии, по сравнению с  β-частицей характеризуется большими  значениями линейной плотности  ионизации (ЛПИ) и создает на  единице пути в ткани гораздо  больше ионов. При одной и  той же поглощенной энергии  (поглощенной дозе) биологический  эффект будет несоизмеримо больше  при более высокой плотности  ионизации. Для сравнения биологических  воздействий, вызванных различными  видами излучения, используется  понятие Относительной Биологической  эффективности (ОБЭ), которое показывает, во сколько раз радиобиологический  эффект данного вида излучения  больше радиобиологического эффекта  образцового излучения при одной  и той же поглощенной дозе: ή = D/Dобр, где

ή – относительная биологическая  активность,

Dобр и D – поглощенные  дозы, соответственно, образцового  и данного излучения.

За образцовое излучение  принимают рентгеновское излучение  с энергией фотонов 200 кэВ. Очевидно, что для образцового излучения  ή=1. Величина ОБЭ зависит в основном от плотности ионизации или размеров потерь энергии на единицу длины  пути ионизирующей частицы — показателя линейных потерь энергии (ЛПЭ). С ростом ЛПЭ излучения увеличивается  вероятность повреждений биологических  тканей и, что немаловажно, снижается  способность к самовосстановлению повреждений. ОБЭ проявляет зависимость  также и от скорости частиц излучения: чем меньше скорость, тем выше ОБЭ.

Эквивалентная доза излучения  НT, R — Это поглощенная доза в  органе или ткани, умноженная на соответствующий  взвешивающий коэффициент для данного  вида излучения. Эквивалентная доза учитывает различия в биологическом  действии излучений различного вида в соответствии с их относительной  биологической эффективностью. Эквивалентную  дозу в СИ выражают в Зивертах (Зв). Внесистемная единица измерения  — бэр (биологический эквивалент рада), 1 бэр = = 0,01 Зв. Один зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний взвешивающий коэффициент составляет 1 Дж/кг.

В случаях, когда на объект воздействуют разные виды излучений  с различными взвешивающими коэффициентами, эквивалентная доза определяется как  сумма эквивалентных доз для  этих видов излучения:

4) Эффективная эквивалентная  доза. Различные органы и ткани  живых организмов обладают разной  чувствительностью к воздействию  ионизирующих излучений. Например, при одной и той же поглощенной  дозе вероятность возникновения  рака легких больше, чем щитовидной  железы, а при облучении половых  желез более вероятны генетические  отклонения. Для оценки биологического  эффекта (или меры риска) при  облучении органов, тканей и  организма в целом с учетом  влияния разных видов излучения  и радио-чувствительности отдельных  органов вводят эффективную эквивалентную  дозу (Е). Для организма в целом  она может быть определена  как сумма произведений эквивалентной  дозы в отдельных органах и  тканях на соответствующий взвешивающий  коэффициент для данного органа или ткани (приложение 4)

5)Иногда для исключения некоторых неопределенностей требуется такая характеристика излучения по его воздействию на среду, которая была бы однозначно связана с параметрами поля излучения, например, с плотностью потока энергии. Для этих целей введена специальная величина керма К -- отношение суммы первоначальных кинетических энергий dEK всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе в этом объеме:

K = dEK/dm.

Керма применима, как для  фотонов, так и для нейтронов  в любом диапазоне доз и  энергий излучения. Керму измеряют в тех же единицах, что и поглощенную  дозу (Гр и рад).

 

 

 

5. Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения

 

Радиоволны, световые волны, тепловая энергия солнца -- все это  разновидности излучений. Однако, излучение  будет ионизирующим, если оно способно разрывать химические связи молекул, из которых состоят ткани живого организма, и, как следствие, вызывать биологические изменения. Действие ионизирующего излучения происходит на атомном или молекулярном уровне, независимо от того, подвергаемся ли мы внешнему облучению, или получаем радиоактивные  вещества с пищей и водой, что  нарушает баланс биологических процессов  в организме и приводит к неблагоприятным  последствиям. Биологические эффекты  влияния' радиации на организм человека обусловлены взаимодействием энергии  излучения с биологической тканью. Энергию непосредственно передаваемую атомам и молекулам биотканей  называют прямым действием радиации. Некоторые клетки из-за неравномерности  распределения энергии излучения  будут значительно повреждены.

Одним из прямых эффектов является канцерогенез или развитие онкологических заболеваний. Раковая опухоль возникает, когда соматическая клетка выходит  из под контроля организма и начинает активно делиться. Первопричиной  этого являются нарушения в генетическом механизме, называемые мутациями. При  делении раковая клетка производит только раковые клетки. Одним из наиболее чувствительных органов к  воздействию радиации является щитовидная железа. Поэтому биоткань этого органа наиболее уязвима в плане развития рака. Не менее восприимчива к влиянию  излучения кровь. Лейкоз или рак  крови -- один из распространенных эффектов прямого воздействия радиации. Заряженные частицы проникают в ткани  организма, теряют свою энергию вследствие электрических взаимодействий с  электронами атомов. Электрическое взаимодействие сопровождает процесс ионизации (вырывание электрона из нейтрального атома)