Негативные факторы воздействия электромагнитного и ионизирующего излучения

Воздействие ЭП, МП, ЭМП может носить характер изолированного (от одного источника), сочетанного (от двух и более источников одного частотного диапазонов), смешанного (от двух и более источников ЭМП различных частотных диапазонов) и комбинированного (в случае одновременного действия какого-либо другого неблагоприятного фактора).

Воздействие может быть постоянным и прерывистым. Типичным случаем прерывистого воздействия является облучение от устройств с перемещающейся диаграммой излучения (от вращающихся и сканирующих антенн РЛС). Воздействию может подвергаться все тело (общее облучение) или части тела (локальное или местное облучение).

В зависимости от отношения облучаемого лица к источнику облучения принято различать четыре вида воздействия -- профессиональное, непрофессиональное, облучение в быту и облучение, осуществляемое в лечебных целях. В лечебных целях используются статическое электричество (франклинизация), постоянный ток (гальванизация и ионофорез), переменный ток низкой частоты (фарадизация), переменный ток высокой частоты и высокого напряжения (дарсонвализация), переменный ток высокой частоты и невысокого напряжения (диатермия), постоянное магнитное поле, магнитное поле высокой частоты (коротковолновая диатермия), электрическое поле ультравысокой частоты (УВЧ-терапия). Применение в лечебных целях различных видов электричества и электромагнитных полей основано на использовании вызываемых ими в организме рефлекторных актов.

Рефлекторно соответствующее изменение функции ряда органов приводит к улучшению их кровоснабжения, питания и тем самым ускоряет восстановительные процессы в пораженных тканях.

Для условий профессионального воздействия характерно многообразие режимов генерации и вариантов воздействия. В частности, для ЭМП -- это облучение в ближней зоне (зоне индукции), общее или местное облучение. Для условий непрофессионального облучения типичным является общее облучение. Ему подвергаются специалисты самого различного профиля, работающие в зоне действия мощных радиотехнических систем, в первую очередь радиолокационных станций.

Электростатическое поле (ЭСП)

ЭСП полностью характеризуется напряженностью электрического поля Е, т. е. силой, действующей на помещенный в такое поле покоящийся единичный заряд. В Международной системе единиц (СИ) напряженность электрического поля имеет размерность вольт на метр (В/м). Напряженность электрического поля от точечного заряда Q на расстоянии R

,

где е0 - электрическая постоянная, Ф/м; е - диэлектрическая проницаемость, характеризующая влияние среды.

Постоянное магнитное поле (ПМП)

ПМП характеризуется напряженностью магнитного поля Н. В Международной системе единиц (СИ) напряженность магнитного поля имеет размерность ампер на метр (А/м). Напряженность магнитного поля H связана с индукцией магнитного поля 5соотношением

,

где м0 - магнитная постоянная, Гн/м. (м0=4р*10-7) м - магнитная проницаемость, характеризующая влияние среды.

Единица магнитной индукции В в международной системе единиц (СИ) носит название тесла (Тл), при этом в воздухе 1 А/м ~ 1,25 мкТл, 1 мкТл ~ 0,8 А/м.

Электромагнитное поле (ЭМП)

ЭМП характеризуется непрерывным распределением в пространстве, способностью распространяться со скоростью света, воздействовать на заряженные частицы и токи, вследствие чего энергия поля преобразуется в другие виды энергии.

ЭМП является совокупностью двух взаимосвязанных переменных полей -- электрического и магнитного, которые характеризуются соответствующими векторами напряженности Е (В/м) и Н (А/м). При определенных условиях электромагнитные, постоянные магнитные и электростатические поля могут оказывать неблагоприятное действие на здоровье человека.

Опасность воздействия этих факторов усугубляется тем, что они не обнаруживаются органами чувств. Воздействие электромагнитных полей на человека зависит от напряженностей электрического и магнитного полей, потока энергии, частоты колебаний, наличия сопутствующих факторов, режима облучения, размера облучаемой поверхности тела и индивидуальных особенностей организма.

Наряду с пространственно-временными параметрами воздействия имеют значение режимы модуляции (амплитудный, частотный или смешанный) и условия облучения. Установлено, что относительная биологическая активность импульсных излучений выше непрерывных.

Воздействие электростатического поля (ЭСП)

Воздействие ЭСП на человека связано с протеканием через негослабого тока (несколько микроампер). При этом электротравм никогда не наблюдается. Однако вследствие рефлекторной реакции на электрический ток (резкое отстранение от заряженного тела) возможна механическая травма при ударе о рядом расположенные элементы конструкций, падении с высоты и т. д.

Исследование биологических эффектов показало, что наиболее чувствительны к электростатическому полю центральная нервная система (ЦНС), сердечно-сосудистая система, анализаторы. Люди, работающие в зоне воздействия ЭСП, жалуются на раздражительность, головную боль, нарушение сна и др. Характерны своеобразные «фобии», обусловленные страхом ожидаемого разряда, склонность к психосоматическим расстройствам с повышенной эмоциональной возбудимостью и быстрой истощаемостью, неустойчивость показателей пульса и артериального давления. Воздействие магнитного поля.

Магнитные поля могут быть постоянными от искусственных магнитных материалов и систем, импульсными (ИМП), инфранизкочастотными (с частотой до 50 Гц), переменными (ПеМП). Действие магнитных полей может быть непрерывным и прерывистым. Степень воздействия МП на работающих зависит от максимальной напряженности его в рабочем пространстве магнитного устройства или в зоне влияния искусственного магнита. Доза, полученная человеком, зависит от расположения рабочего места по отношению к МП и режима труда. Каких-либо субъективных воздействий постоянное магнитное поле не вызывает. При действии переменного магнитного поля наблюдаются характерные зрительные ощущения, которые исчезают в момент прекращения воздействия.

При постоянной работе в условиях хронического воздействия МП, превышающих предельно допустимые уровни (ПДУ), наблюдаются нарушения функций ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, пищеварительного тракта, изменения в крови.

При преимущественно локальном воздействии могут развиваться вегетативные и трофические нарушения, как правило, в областях тела, находящегося под непосредственным воздействием МП (чаще всего рук). Эти нарушения проявляются ощущением зуда, бледностью или синюшностью кожных покровов, отечностью и уплотнением кожи, в некоторых случаях развивается гиперкератоз (ороговелость).

Воздействие ЭМП промышленной частоты

Длительное действие таких полей приводит к расстройствам, которые субъективно выражаются жалобами на головную боль в височной и затылочной области, вялость, расстройство сна, снижение памяти, повышенную раздражительность, апатию, боли в области сердца.

При постоянном воздействии ЭМП промышленной частоты наблюдаются нарушения ритма и замедление частоты сердечных сокращений. У работающих в зоне ЭМП промышленной частоты могут наблюдаться функциональные нарушения ЦНС и сердечно-сосудистой системы, а также изменения в составе крови.

Поэтому необходимо ограничивать время пребывания человека в зоне действия электрического поля, создаваемого токами промышленной частоты напряжением выше 400 кВ.

Основным параметром, характеризующим биологическое действие ЭМП промышленной частоты, является электрическая составляющая напряженности. Магнитная составляющая напряженности заметного влияния на организм не оказывает, так как в действующих установках напряженность магнитного поля промышленной частоты не превышает 25 А/м, а вредное биологическое действие проявляется при напряженностях 150...200 А/м.

Воздействие электрического поля промышленной частоты на организм человека сводится к влиянию электрического поля непосредственно на мозг и центральную нервную систему. Наряду с биологическим действием электрическое поле обусловливает возникновение разрядов между человеком и металлическим предметом, имеющим иной, чем у человека, потенциал. Ток разряда может вызвать судороги.

Воздействие ЭМП радиочастотного диапазона

Большую часть спектра неионизирующих электромагнитных излучений составляют радиоволны (3 Гц...300 ГГц). В зависимости от частоты падающего электромагнитного излучения ткани организма проявляют различные электрические свойства и ведут себя как проводник или как диэлектрик.

Электромагнитное поле воздействует следующим образом: в электрическом поле атомы и молекулы, из которых состоит тело человека, поляризуются, полярные молекулы (например, воды) ориентируются по направлению распространения электромагнитного поля; в электролитах, которыми являются жидкие составляющие тканей, крови и т. п., после воздействия внешнего поля появляются ионные токи.

Переменное электрическое поле вызывает нагрев тканей человека как за счет переменной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи и т. д.), так и за счет появления токов проводимости.

Тепловой эффект является следствием поглощения энергии электромагнитного поля. Чем больше напряженность поля и время воздействия, тем сильнее проявляются указанные эффекты. Избыточная теплота отводится до известного предела путем увеличения Нагрузки на механизм терморегуляции. Однако начиная с величины J = 10 мВт/см2 , называемой тепловым порогом, организм не справляется с отводом образующейся теплоты, и температура тела повышается, что приносит вред здоровью.

Наиболее интенсивно электромагнитные поля воздействуют на органы с большим содержанием воды. При одинаковых значениях напряженности поля коэффициент поглощения в тканях с высоким содержанием воды примерно в 60 раз выше, чем в тканях с низким содержанием. С увеличением длины волны глубина проникновения электромагнитных волн возрастает; различие диэлектрических свойств тканей приводит к неравномерности их нагрева, возникновению макро- и микротепловых эффектов со значительным перепадом температур.

Перегрев же особенно вреден для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или с недостаточным кровообращением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пузырь), так как кровеносную систему можно уподобить системе водяного охлаждения. Облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте), которое обнаруживается не сразу, а через несколько дней или недель после облучения.

Развитие катаракты является одним из немногих специфических поражений, вызываемых электромагнитными излучениями радиочастот (ЭМИ РЧ) в диапазоне 300 МГц...300 ГГц при плотности потока энергии свыше 10 мВт/см2 . Помимо катаракты при воздействии ЭМП возможны ожоги роговицы.

Электромагнитные поля оказывают специфическое воздействие на ткани человека как биологические объекты при интенсивности поля, значительно меньшей теплового порога. Они изменяют ориентацию клеток или цепей молекул в соответствии с направлением силовых линий электрического поля, ослабляют биохимическую активность белковых молекул, нарушают функции сердечно-сосудистой системы и обмена веществ. Однако эти изменения носят обратимый характер: достаточно прекратить облучение, и болезненные явления исчезают.

Для длительного действия ЭМП различных диапазонов длин волн при умеренной интенсивности (выше ПДУ) характерным считают развитие функциональных расстройств в ЦНС с не резко выраженными сдвигами эндокринно-обменных процессов и состава крови. В связи с этим могут появиться головные боли, повышение или понижение давления, снижение частоты пульса, изменение проводимости в сердечной мышце, нервно-психические расстройства, быстрое развитие утомления. Возможны трофические нарушения: выпадение волос, ломкость ногтей, снижение массы тела.

Наблюдаются изменения возбудимости обонятельного, зрительного и вестибулярного анализаторов. На ранней стадии изменения носят обратимый характер, при продолжающемся воздействии ЭМП происходит стойкое снижение работоспособности.

В пределах радиоволнового диапазона доказана наибольшая биологическая активность микроволнового (СВЧ) поля.

Острые нарушения при воздействии ЭМИ (аварийные ситуации) сопровождаются сердечно-сосудистыми расстройствами с обмороками, резким учащением пульса и снижением артериального давления.

Лазерное излучение

«Лазер» -- аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation -- усиление света за счет создания стимулированного излучения. Лазер (оптический квантовый генератор) -- генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения.

Лазерные излучения -- это электромагнитные излучения с длиной волны 0,2-1000 мкм: 0,2-0,4 мкм -- ультрафиолетовая; свыше 0,4 до 0,75 мкм -- видимая область; свыше 0,75 до 1 мкм -- ближняя инфракрасная область; свыше 1,4 мкм -- дальняя инфракрасная область.

Отличительными особенностями лазерных излучений являются:

· монохроматичность излучения (строго одной длины волны);

· когерентность излучения (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе);

· острая направленность луча (малое расхождение).

Лазерные излучения разделяются по виду излучения на: прямое (заключенное в ограниченном телесном угле); рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч); зеркально отраженное ('отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения); диффузно отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям). Как техническое устройство лазер состоит из трех основных элементов: активной среды, системы накачки и соответствующего резонатора.

В зависимости от характера активной среды лазеры подразделяются на следующие типы: твердотельные (на кристаллах или стеклах); газовые; жидкостные; химические; полупроводниковые и др.

В качестве резонатора обычно используют параллельные зеркала с высоким коэффициентом отражения, между которыми размещается активная среда. Накачка, т. е. перевод атомов активной среды на верхний уровень, обеспечивается или посредством мощного источника света или электрическим разрядом.

Основными техническими характеристиками лазера являются: длина волны, мкм; ширина линии излучения; интенсивность излучения (определяется по величине энергии или мощности выходного пучка и выражаемая в Дж или Вт); длительность импульса, с; частота повторения импульсов, Гц.

По степени опасности генерируемого излучения согласно ГОСТ 12.1.040-83 (1996) лазеры классифицируются следующим образом:

класс I (безопасные) -- выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

класс II (малоопасные) -- выходное излучение опасно при облучении глаз прямым или зеркально отраженным из- лучением;

класс III (среднеопасные) -- опасно для глаз прямое, зеркально, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и для кожи прямое или зеркально отраженное излучение;

класс IV (высокоопасные) -- опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

При эксплуатации лазеров могут иметь место опасные и вредные факторы, которые зависят от класса опасности лазеров.

Биологическое действие лазерного излучения (ЛИ) зависит от длины волны и интенсивности излучения.

Различают следующие шесть видов воздействия ЛИ на живой организм:

1 -- термическое (тепловое) действие. При фокусировке лазерного излучения выделяется значительное количество теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;

2 -- энергетическое действие. Определяется большим градиентом электрического поля, обусловленного высокой плотностью мощности. Это действие может вызвать поляризацию молекул, резонансные и другие эффекты;

3 -- фотохимическое действие. Проявляется в выцветании ряда красителей;

4 -- механическое действие. Проявляется в возникновении колебаний типа ультразвуковых в облучаемом организме;

5 -- электрострикция -- деформация молекул в электрическом поле лазерного излучения;

6 -- образование в пределах клетки микроволнового электромагнитного поля.

Под воздействием лазерного излучения происходит нарушение жизнедеятельности отдельных органов и организма в целом. При больших интенсивностях облучения возможны повреждения внутренних органов, которые имеют характер отеков, кровоизлияния, кровотечения, омертвления тканей и др.

При воздействии на кровь отмечается деформация красных кровяных телец, разрушение оболочки эритроцита и выброс обесцвеченной коагулированной массы.

ионизирующий излучение магнитный поле

Радиоактивные вещества и источники ионизирующих излучений

Основные понятия

Ионизирующее излучение -- излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение принято не включать в понятие «ионизирующее излучение». При этом различают фотонное и корпускулярное ионизирующие излучения.

К фотонному ионизирующему излучению относятся:

гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц; тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц;

характеристическое излучение, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. На практике часто используется рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.

К корпускулярному излучению, состоящему из частиц с массой, отличной от нуля, относятся, например, альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное.

Гамма-излучение имеет внутриядерное происхождение. Гамма-излучение представляет собой жесткое (большой энергии) электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света.

Рентгеновское излучение, являющееся потоком электромагнитных колебаний, т. е. обладая одной и той же природой с гамма-излучением, отличается от последнего условиями образования (не имеет внутриядерного происхождения), а также своими свойствами (длиной волны или энергией).

Эти излучения называются проникающими, поскольку незначительно ослабляются при прохождении через вещество.

Альфа-излучение. В результате альфа-распада радиоактивного изотопа образуется поток альфа-частиц, т. е. ядер атомов гелия с положительным зарядом Z = 2 и массовым числом А = 4. Пробег сх-частиц, испускаемых известными в настоящее время радионуклидами, достигает 8-9 см в воздухе, а в мягкой биологической ткани -- нескольких десятков микрон.

Бета-излучение представляет собой бета-частицы (отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные позитроны), движущиеся с большой скоростью, приближающейся к скорости света.

Пробег в-частиц в воздухе составляет 22 см для 14С (Emax = 0,155 МэВ) и 1400 см для 42К (Emax = 3,58 МэВ), пробег в мягкой биологической ткани 0,02 и 1,9 см соответственно.

Нейтронное излучение. При делении тяжелых ядер или при некоторых типах взаимодействия различных видов излучения с веществом возникают нейтроны - электрически нейтральные частицы. Нейтроны, представляющие собой поток незаряженных частиц, при прохождении через вещество взаимодействуют только с ядрами атомов, поэтому обладают существенной проникающей способностью.

Дозовые характеристики поля излучения

Характеристики излучения в первую очередь регламентируются активностью радионуклидов в источнике, т. е. уровнем самопроизвольных ядерных превращений радиоактивного распада.

Активность радионуклида в источнике (образце) А -- отношение числа dN спонтанных ядерных превращений, происходящих в источнике (образце) за интервал времени dt, к этому интервалу:

.

Единица активности радионуклида в системе СИ -- беккерель (Бк). Беккерель равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит один спонтанный распад.

Внесистемная единица активности -- кюри (Ки). Кюри равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 3,700-10'° спонтанных переходов ядерно-энергетического состояния радионуклида:

1 Ки = 3,700*1010 Бк.

Отношение активности радионуклида в источнике (образце) к массе, объему, количеству вещества, площади поверхности (для поверхностных источников) или к длине (для линейных источников) источника (образца) называется удельной Ам объемной АV молярной Ато поверхностной As или линейной AL активностью источника (образца) соответственно.

Для оценки поля фотонного излучения при использовании внесистемных единиц применяют понятие «экспозиционная доза».

Экспозиционная доза X-- это количественная характеристика фотонного излучения, которая основана на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и представляет собой отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе воздуха в объеме dm:

.

Вследствие близости эффективных атомных номеров воздуха и ткани воздух для фотонного излучения принято считать тканеэквивалентной средой.

Единица экспозиционной дозы в системе СИ -- кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой 1 кг, производят в воздухе ионы, несущие электрический заряд каждого знака 1 Кл.

Внесистемная единица экспозиционной дозы -- рентген (Р).

Рентген -- это единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Заметим, что величина 0,001293 г -- это масса 1 см3 атмосферного сухого воздуха при нормальных ус- ловиях (температура О "С и давление 1013 гПа (760 мм рт. ст.). Соотношение внесистемной единицы СИ

1 Р = 2,58 * 10-4 Кл/кг.

Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D -- отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме

.

ГОСТ допускает вместо термина (предположительно Российский) «поглощенная доза излучения» использовать краткую форму «доза излучения».

Единица поглощенной дозы в системе СИ -- грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж.

Внесистемной единицей поглощенной дозы ионизирующего излучения является рад (рад). Рад равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 г передается энергия ионизирующего излучения, равная 100 эрг.

Таким образом, 1 рад = 0,01 Гр.

В задачах радиационной безопасности при хроническом облучении человека в малых дозах (в дозах, не превышающих пяти предельно допустимых годовых доз при облучении всего тела человека) основной величиной для оценки биологического действия излучения любого состава является эквивалентная доза.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения Н -- произведение поглощенной дозы Она средний коэффициент качества излучения в данном объеме биологической ткани стандартного состава

,

где -- средний коэффициент качества.

Коэффициент качества представляет собой регламентированное значение неблагоприятных биологических последствий облучения человека в малых дозах (табл. 2).

Единица эквивалентной дозы в системе СИ -- зиверт (Зв). Зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равно 1 Дж/кг. Иными словами, зиверт -- единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или у-излучения.

Таблица 2 Рекомендуемые значения к для излучений различных видов с неизвестным энергетическим составом