Защита от излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Виды ионизирующего излучения

Эффективность защиты от ионизирующего излучения в значительной степени зависит от знания его видов и свойств. Все виды ионизирующего излучения можно подразделить на две группы: электромагнитные, к которым относятся рентгеновское и g-излучение, и корпускулярные, или излучения ядерных частиц.

Рентгеновское и g-излучения принадлежат к широкому спектру электромагнитных излучений и располагаются в нем вслед за радиоволнами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами. Все эти виды излучений различаются длиной волны. Наиболее короткой длиной волны и, соответственно, наибольшей частотой электромагнитных колебаний в этом спектре обладают g- и рентгеновское излучения. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше его проникающая способность. Энергия, например, g-кванта кобальта-60 равна 1,33 МэВ.

Источником рентгеновского излучения является Солнце. Но это излучение поглощается земной атмосферой, иначе оно бы губительно действовало на все живое. Рентгеновское излучение также генерируется соответствующими аппаратами (ускорителями) для использования их в целях диагностики и лечения больных.

Гамма-излучение сопровождает ядерные реакции и распад многих радиоактивных веществ. Энергия g-излучения может иметь различные значения - от десятков тысяч до миллионов электрон-вольт. Оно может пройти через человеческое тело. В качестве защиты от? - излучения эффективно используются свинец, бетон или иные материалы с высоким удельным весом.

К ионизирующим относятся также излучения разного рода ядерных частиц. К числу легких ядерных частиц принадлежат, например, - частицы, а к числу тяжелых - частицы.

Бета-излучение - это поток электронов или позитронов. Частицы обладают элементарным отрицательным (электрон) или положительным (позитрон) зарядом. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и излучаются оттуда. Частицы могут проходить сквозь слой воды толщиной 1-2 см. Для защиты от излучения, как правило, достаточно листа алюминия толщиной несколько миллиметров. При внешнем облучении частицами тела человека на открытых поверхностях кожи могут образовываться радиационные ожоги различной тяжести. В случае поступления источников излучения в организм с пищей, водой и воздухом происходит внутреннее облучение организма, способное привести к тяжелому лучевому поражению.

Альфа-излучение - это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Они в 7300 раз тяжелее частиц. По своей физической природе частицы представляют собой ядра атома гелия: они состоят из двух протонов и двух нейтронов и, следовательно, несут два элементарных положительных электрических заряда. Эти частицы испускаются при радиоактивном распаде некоторых элементов с большим атомным номером (в основном это трансурановые элементы с атомными номерами более 92) излучение обладает большой ионизирующей способностью, но проникает в ткани тела человека на очень малую глубину. При облучении человека частицы проникают лишь на глубину поверхностного слоя кожи. Защититься от них можно листом обычной бумаги. Их пробег в воздухе не превышает 11 см. Таким образом, в случае внешнего облучения защититься от неблагоприятного действия частиц достаточно просто и они, казалось бы, не представляют серьезной угрозы здоровью людей. Положение коренным образом меняется в случае поступления источников излучения в организм человека с пищей, водой или воздухом. В этом случае они будут чрезвычайно опасными облучателями организма изнутри.

Нейтроны - нейтральные, не несущие электрического заряда частицы - при оценке радиационной аварийной обстановки могут играть существенную роль. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана или плутония. Нейтроны обладают высокой проникающей способностью. Ионизация среды в поле нейтронного излучения осуществляется заряженными частицами, возникающими при взаимодействии нейтронов с веществом. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения. От нейтронного излучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (парафин, полиэтилен).

Вполне естественно, что все защитные мероприятия от воздействия ионизирующих излучений основаны на знании свойств каждого вида излучения, характеристики их проникающей способности, особенностей эффектов ионизации.

2. Явление радиоактивности. Закон радиоактивного распада

Радиоактивность - это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента из основного или возбужденного состояния в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц и электромагнитной энергии. Такие ядра или соответствующие атомы называют радиоактивными. Само явление называется радиоактивным распадом.

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается в результате радиоактивного распада, который совершается самопроизвольно в результате внутриядерных процессов. Для каждого радиоактивного вещества скорость распада ядер его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Все радионуклиды распадаются в одном и том же порядке и подчиняются закону радиоактивного распада. Суть закона заключается в том, что за единицу времени распадается одна и та же часть имеющихся в наличии ядер атомов радиоактивного изотопа.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на практике вместо постоянной распада? пользуются периодом полураспада Т1/2, который представляет собой время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Для различных радиоактивных элементов период полураспада имеет значения от долей секунд до миллиардов лет.

3. Единицы измерения радиоактивности

Активность (А) - мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени:

А = dN/dt,

где dN - ожидаемое число спонтанных ядерных превращений из данного энергетического состояния, происходящих за промежуток времени dt. В системе СИ единицей измерения активности является обратная секунда (с-1), имеющая специальное название беккерель (Бк). 1 Бк = 1 распад/с.

Используется и внесистемная международная единица активности кюри (Ки). Кюри - это такое количество радиоактивного изотопа, в котором число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7*10¹⁰. Единица кюри соответствует радиоактивности одного грамма радия. В единицах беккерель и кюри выражают и b-активность.

Для характеристики g-активности введена другая единица - эквивалент одного миллиграмма радия (226Ra). Миллиграмм эквивалент радия - это активность любого радиоактивного препарата, g-излучение которого создает такую же мощность экспозиционной дозы, как g-излучение одного миллиграмма радия Государственного эталона РФ при платиновом фильтре 0,5 мм. Точечный источник в один миллиграмм (1мКи) радия, после начальной фильтрации через 0,5 мм платины, создает в воздухе на расстоянии 1 см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эта величина называется ионизационной g-постоянной радия (К), которая принята за эталон мощности дозы излучения. С ней сравнивают К других радиоактивных изотопов. g-эквивалент изотопа М связан с его активностью А через ионизационную g-постоянную соотношением:

М = А * К /8,4,

которое позволяет сделать перерасчет от активности радиоактивного вещества, выраженной в мг-экв. радия, к активности, выраженной в Ки и наоборот.

Для характеристики рентгеновского и g излучения устанавливают так называемую экспозиционную дозу (Х) ионизирующих излучений. Она характеризует ионизирующую способность рентгеновских и g-излучений в воздухе. На практике применяются внесистемная единица - рентген. Это такое количество излучения, при котором в одном см³ воздуха (0,001293 г.) при атмосферном давлении 760 мм. рт. ст и температуре 0С, образуется 2,08х109 пар ионов.

За единицу экспозиционной дозы в международной системе единиц (СИ) принят кулон на кг (Кл/кг), т.е. такое количество энергии рентгеновского и g-излучения, которое в кг сухого воздуха образует ионы, несущие суммарный заряд в 1 кулон электричества каждого знака. 1 Р = 2,58х10-4 Кл/кг, 1 Кл/кг = 3880 Р.

Экспозиционная доза не учитывает энергию ионизирующих излучений, которая поглощается облучаемым объектом. Для определения эффекта воздействия ионизирующих излучений в веществе введено понятие поглощенная доза (D) - фундаментальная дозиметрическая величина, определяемая в виде:

D = de / dm,

где de - средняя энергия, передаваемая ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm - масса вещества в элементарном объеме.

В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название - грей (Гр).

Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является рад. Единица рад (rad - radiation absorbed dose) - это такая доза, при которой в одном грамме массы облучаемого вещества поглощается энергия любого вида излучения равная 100 эрг.

Поскольку, при одной и той же дозе энергии g-квантов и частиц в одном грамме разной по составу биологической ткани поглощается различное количество энергии, поглощенную дозу в таких случаях находят расчетным путем:

D = Х* f,

где D - поглощенная доза; Х - экспозиционная доза в Р в той же точке; f - переходный коэффициент.

Если в воздухе доза излучения 1 Р эквивалентна 88 эрг/г, то поглощенная энергия для этой среды составит 88 /100 = 0,88 рад. Таким образом, для воздуха поглощенная доза равная 0,88 рад соответствует экспозиционной дозе в 1 Р.

Переходный коэффициент f обычно определяют опытным путем на фантоме. Для воды и мягких тканей коэффициент f округленно принят за единицу (фактически он составляет 0,93). Следовательно, поглощенная доза в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Для костной ткани коэффициент f изменяется от 2 до 5.

Биологическое действие одних и тех же доз различного вида излучений не одинаково. Это связано с удельной ионизацией излучения. Чем выше удельная ионизация, тем больше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или взвешивающий коэффициент (WR). Этот коэффициент показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения выше рентгеновского или g-излучения при одинаковой поглощенной дозе в тканях.

Для оценки биологического действия излучения введено понятие эквивалентной дозы - это поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения WR:

HTR = WR? DTR,

где, DTR - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, а WR - взвешивающий коэффициент для излучения R. Если поле излучения состоит из нескольких излучений с различными величинами WR, то эквивалентная доза определяется в виде:

Единицей измерения эквивалентной дозы является Дж/кг, имеющий специальное название - зиверт (Зв). Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является биологический эквивалент рада - бэр.

4. Действие ионизирующего излучения на организм человека

В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы.

Первичным физическим актом взаимодействия ионизирующего излучения с биологическим объектом является ионизация. Именно через ионизацию происходит передача энергии объекту.

Известно, что в биологической ткани 60-70% по массе составляет вода. В результате ионизации молекулы воды образуют свободные радикалы Н- и ОН-

В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (H2O) и перекись водорода (H2O), являющиеся сильными окислителями.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белков, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму - токсины. Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. В зависимости от величины поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма, вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми.

Некоторые радиоактивные вещества накапливаются в отдельных внутренних органах. Например, источники альфа - излучения (радий, уран, плутоний), бета - излучения (стронций и иттрий) и гамма-излучения (цирконий) отлагаются в костных тканях. Все эти вещества трудно выводятся из организма.

Особенности воздействия ионизирующего излучения при действии на живой организм

При изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности:

- высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме;

• наличие скрытого, или инкубационного, проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении большими дозами;

• - действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией;

• - излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект;

• - различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0.02-0.05 Р уже наступают изменения в крови;

• - не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

• - облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционирование.

В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы.

Известно, что две трети общего состава ткани человека составляют вода и углерод. Вода под воздействием ионизирующего излучения расщепляется на Н и ОН, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный окисел НО2 и перекись водорода Н2О2. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая ее.

В результате воздействия ионизирующего излучения нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен в организме.

Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для всего тела следующие: голова - 2000 рад, нижняя часть живота - 5000 рад, грудная клетка - 10000 рад, конечности - 20000 рад.

Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова. Если рассматривать ткани органов в порядке уменьшения их чувствительности к действию излучения, то получим следующую последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 50 рад через день после облучения может резко сократиться число лимфоцитов, уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечению двух недель после облучения. У здорового человека насчитывается порядка 1014 красных кровяных телец при ежедневном воспроизводстве 1012, а у больного такое соотношение нарушается.

Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение по времени, тем меньше его поражающее действие.

Биологическая эффективность каждого вида ионизирующего излучения находится в зависимости от удельной ионизации. Так, например, a - частицы с энергией 3 мэв образуют 40000 пар ионов на одном миллиметре пути, b - частицы с такой же энергией - до четырех пар ионов. Альфа - частицы проникают через верхний покров кожи до глубины до 40 мм, бета - частицы - до 0.13 см.

Наружное облучение a, b - излучениями менее опасно, т.к. a и b - частицы имеют небольшую величину пробега в ткани и не достигают кроветворных и других органов.

Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и биологический эффект. Так при облучении фотонами поглощенной дозой 450 рад участка тела площадью 6 см² заметного поражения организма не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50% смертельных случаев.

Индивидуальные особенности организма человека проявляются лишь при небольших поглощенных дозах.

Чем моложе человек, тем выше его чувствительность к облучению, особенно высока она у детей. Взрослый человек в возрасте 25 лет и старше наиболее устойчив к облучению.

Есть ряд профессий, где существует большая вероятность облучения. При некоторых чрезвычайных обстоятельствах (например, взрыв на АЭС) облучению может подвергнуться население, живущее на определенных территориях. Не известны вещества, способные полностью защитить, но есть частично защищающие организм от излучения. К ним относятся, например, азид и цианид натрия, вещества содержащие сульфогидридные группы и т.д. Они входят в состав радиопротекторов.

Радиопротекторы частично предотвращают возникновение химически активных радикалов, которые образуются под воздействием излучения. Механизмы действия радиопротекторов различны. Одни из них вступают в химическую реакцию с попадающими в организм радиоактивными изотопами и нейтрализуют их, образуя нейтральные вещества, легко выводимые из организма. Другие имеют отличный механизм. Одни радиопротекторы действуют в течение короткого промежутка времени, время действия других более длительное. Существует несколько разновидностей радиопротекторов: таблетки, порошки и растворы.

При попадании радиоактивных веществ внутрь организма поражающее действие оказывают в основном a- источники, а затем b- и g - источники, т.е. в обратной наружному облучению последовательности. Альфа - частицы, имеющие плотность ионизации, разрушают слизистую оболочку, которая является слабой защитой внутренних органов по сравнению с наружным покровом.

Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от степени дискретности частиц. Частицы размером меньше 0.1 мкм при входе вместе с воздухом попадают в легкие, а при выходе удаляются. В легких остается только небольшая часть. Крупные частицы размером больше 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью.

Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма однотипны с элементами, которые потребляются человеком, то они не задерживаются на длительное время в организме, а выделяются вместе с ними (натрий, хлор, калий и другие).

Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и другие) не являются входящими в состав ткани. Поэтому они со временем полностью удаляются из организма.

Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или мене равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так в костных тканях отлагаются такие источники a- излучений, как радий, уран и плутоний. Стронций и иттрий, которые являются источниками b- излучения, и цирконий - источник g- излучения тоже отлагаются в костных тканях. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма.

Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран и др.). Элементы, образующие в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма.

Основные особенности биологического действия ионизирующего излучения следующие:

• действие ионизирующего излучения на организм не ощутимо человеком. Поэтому это опасно. Дозиметрические приборы являются как бы дополнительным органом чувств, предназначенным для восприятия ионизирующего излучения;

• - видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерные для лучевого заболевания, появляются не сразу, а спустя некоторое время; суммирование доз происходит скрыто. Если в организм человека систематически будут попадать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются, что неизбежно приводит к лучевым болезням.

ионизирующий излучение защита радиоактивность

5. Основные принципы обеспечения радиационной безопасности

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов, которые клинической медициной относятся к болезням: детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Нормирование радиационного воздействия началось в 30-е гг. ХХ века. В это время для профессиональных работников была установлена дневная допустимая доза, которая соответствовала допустимому пределу дозы (ДПД), равному 0,5 Зв в год [4]. До середины 1970-х гг. ДПД рассматривался как некий пороговый уровень, ниже которого отсутствуют вредные для здоровья эффекты облучения, в т. ч. отдаленные.

В 1977 г., в целях повышения уровня безопасности при использовании ионизирующего излучения и исходя из современных представлений о действии малых доз радиации, Международная комиссия радиационной защиты (МКРЗ) приняла концепцию беспороговой линейной зависимости возникновения злокачественных новообразований и генетических повреждений при нормировании радиационного фактора и оценки возможных неблагоприятных для здоровья отдаленных последствий облучения. Из этой концепции вытекают три основных принципа радиационной защиты, которые приняты в современном нормировании.

Принцип обоснования. Не должна проводиться любая деятельность, связанная с использованием источников ионизирующего излучения, если польза для отдельных лиц и общества в целом не превышает риска, вызванного дополнительным облучением (по отношению к естественному радиоактивному фону).

Принцип оптимизации. При использовании любого источника ионизирующего излучения индивидуальные дозы и число облучаемых людей должны поддерживаться на столь низком уровне, насколько это возможно и достижимо с учетом экономических и социальных факторов.

Принцип нормирования. Индивидуальная доза облучения персонала и населения от всех источников ионизирующего излучения в процессе их эксплуатации не должна превышать действующих дозовых пределов.

Реализация первого принципа осуществляется путем обязательного лицензирования деятельности, связанной с возможным воздействием на людей ионизирующего излучения.

Второй принцип реализуется путем автоматизации технологических процессов, оптимизации труда и введения системы контрольных уровней. Контрольные уровни - это значения дозовых пределов и допустимых уровней, устанавливаемых руководством учреждения (предприятия) и местными органами Госсанэпиднадзора в целях максимально возможного снижения радиационного воздействия на персонал, население и объекты окружающей природной среды по отношению к регламентируемым нормативам и исходя из достигнутого уровня радиационной безопасности.

Третий принцип реализуется путем осуществления государственного надзора за обеспечением радиационной безопасности и установленным порядком ответственности за превышение регламентируемых дозовых пределов.

Радиационная безопасность персонала, населения и окружающей природной среды считается обеспеченной, если соблюдаются основные принципы радиационной безопасности (обоснование, оптимизация, нормирование) и требования радиационной защиты

Основу системы радиационной безопасности составляют современные международные научные рекомендации, опыт стран, достигших высокого уровня радиационной защиты населения, и отечественный опыт. Данные мировой науки показывают, что соблюдение Международных основных норм безопасности, которые легли в основу отечественных нормативных документов, надежно гарантирует безопасность и работающих с источниками излучения, и всего населения. Главной целью радиационной безопасности является охрана здоровья населения, включая персонал, от вредного воздействия ионизирующего излучения путем соблюдения основных принципов и норм радиационной безопасности без необоснованных ограничений полезной деятельности при использовании излучения в различных областях хозяйства, в науке и медицине.

Размещено на Allbest.ru