Доза излучения и ее измерение

Для того чтобы охарактеризовать воздействие ионизирующего излучения на организм, используют понятие дозы. Доза поглощенного ионизирующего излучения — это энергия, которую излучение передает тому телу, через которое оно проходит. Единица поглощенной дозы Д_погл. 1 грей (1 Гр), 1 Гр отвечает поглощению 1 Дж в I кг вещества.

Парадокс состоит в том, что энергия, отвечающая поглощению организмом человека, например, дозы в 1 Гр, сама по себе очень мала, а вот вредное воздействие она оказывает значительное (возможно даже появление лучевой болезни). Между тем с точки зрения по­глощенной энергии доза в 1 Гр отвечает, например, тому, что человек выпил чайную ложку воды с температурой около 55°С. Понятно, что температура тела при этом практически не изменится и никакого вреда человеку не принесет.

Ученые объяснили, почему в случае воздействия на организм даже небольших доз возможны тяжелые по­следствия: все дело в образующихся под действием излучения ионах, и особенно свободных радикалах. Вредное воздействие поглощенного ионизирующего излучения зависит от того, каким типом излученияобусловлена доза. Вредный эффект поглощенной дозы в 0,1 Гр от a-радионуклида значительно сильнее, чем от такой же дозы, связанной с поглощением (b-, g- или рентгеновского излучения).

Чтобы можно было сравнивать воздействие последних с биологическими эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, вводится так называемая эквивалентная доза, которая определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, зависящий от вида излучения:

Д_экв. = Д_погл.*W_R

W_R – отражает эффективность биологического воздействия излуче­ния.

Значение W_R для b- и g- излучения равно 1, а для a-излучения – 20. Единица эффективной дозы — I зиверт (1 Зв).

Согласно принятым в нашей стране нормам, предельно-допустимая доза для жителей России равна не более 5 мЗв за год. Отметим, что годовая доза, отве­чающая среднему по нашей стране естественному фону ионизирующего излучения, составляет чуть менее 1 мЗв. Для отдельных участков поверхности Земли естествен­ный фон колеблется от 0,5 до 2 мЗв. Так, естественный фон на территории Франции значительно выше, чем в России, а особенно высок он в отдельных регионах Индии и Бразилии. Составляющие, из которых складыва­ется средняя годовая доза излучения, получаемая чело­веком, живущим в средних широтах России, показаны на рис.

Естественный радиационный фон обусловлен рассеянной радиоактивностью земной коры, проникающим космическим излучением, потреблением с пищей биогенных радионуклидов и составлял в недавнем прошлом 8—9 микрорентген в час (мкР/ч), что соответствует среднегодовой эффективной эквивалентной дозе для жителя Земли в 2 миллизиверта (мЗв). Рассеянная радиоактивность обусловлена наличием в среде следовых количеств природных радиоизотопов с периодом полураспада (T1/2) более 105 лет (в основном урана и тория), а также 40К, 14С, 226Ra и 222Rn. Газ радон в среднем дает от 30 до 50% естественного фона облучения наземной биоты.

Для работников предприятий ЯТЦ значение пре­дельно-допустимой дозы составляет не более 50 мЗв за год. Вопрос о том, что такое предельно-допустимая до­за и на основании чего она установлена, довольно сло­жен и будет кратко рассмотрен далее.

Суммарная доза от всех природных источников (включая нерегулируемые) используется для оценки радиационной обстановки в регионах, ее значение заносится в радиационно-гигиенические паспорта территорий (п. 5.2.2 ОСПОРБ-99). При этом устанавливаются следующие критерии для оценки значений суммарной дозы:

§ менее 2 мЗв/год – облучение не превышает средних значений доз для населения страны от природных источников излучения;

§ от 2 до 5 мЗв/год – повышенное облучение;

§ более 5 мЗв/год – высокое облучение.

Из-за того, что абсолютные значения энергий, при которых уже проявляется вредное действие излучения на организм, довольно малы, измерить их довольно сложно. Поэтому используют понятие так называемой экспозиционной дозы Д_эксп. При этом речь идет не об измерении энергии, поглощенной организмом, а о характеристике излучения по вызываемому им эффекту ионизации воздуха. Для измерения возникающей электропроводности газа созданы довольно простые приборы (например, счетчик Гейгера—Мюллера).

Если измерить число ионов, возникших при прохождении излучения через воздух, то можно сделать вывод о значении экспозиционной дозы. Внесис­темная единица экспозиционной дозы 1 рентген (1 Р). При экспозиционной дозе в 1 Р в 1 см³ сухого воздуха, находящегося при 0°С и 0,1 МПа, за счет прохождения g- или рентгеновского излучения возникает 2*10⁹ пар ионов. Экспозиционной дозе в 1 Р для человеческого тела соответствует эффективная доза примерно в 0,01 Зв, так что по измерениям экспозиционной дозы можно ориентировочно судить и об эффективной дозе.

Вопрос о том, какая максимальная доза ионизиру­ющего излучения допустима для человека, очень сло­жен и не имеет однозначного ответа. Установлено, что воздействие на организм в течение года дозы в не­сколько зивертов (а это по сравнению с естественным фоном очень большая доза) приводит к увеличению вероятности появления у облученного различных заболеваний, и чем больше полученная доза, тем выше веро­ятность их появления.

Единицы измерения.

АКТИВНОСТЬ НУКЛИДА. В качестве единицы активности и Международной системе единиц СИ выбран беккерель (Бк, Bq). Активность в 1 Бк соответствует одному распаду в секунду. Однако в практической дозиметрии и радиационной физике чаще используется другая единица – кюри (обозначается Ки, Ci). Кюри в 37 миллиардов раз больше одного беккереля (1 Ки = 3,7 10¹⁰ Бк), то есть соответствует 37 миллиардам радиоактивных распадов в секунду. С чем связан такой, казалось бы, странный и произвольный выбор единицы? Дело в том, что именно такое число распадов происходит в одном грамме радия-226 – исторически первого вещества, в котором были изучены законы радиоактивного распада. Поскольку активность одного грамма чистого радия близка к 1 Ки, то ее часто выражают в граммах. В этом (и только в этом) случае единица массы вещества обладает единичной активностью.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА

Чтобы можно было сравнивать воздействие последних с биологическими эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, вводится так называемая эквивалентная доза, которая определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, зависящий от вида излучения. Эквивалентная доза измеряется в бэрах (бэр – биологический эквивалент рентгена).

Учитывая важность проблемы биологического действия ионизирующих излучений, в радиационной физике и при расчете защиты от ядерных излучений стали использовать единицу эквивалентной дозы. В системе СИ эта единица установлена совсем недавно и называется зиверт (обозначается Зв, Sv). Эквивалентная доза в 4...5 зиверт (примерно 400...500 бэр), полученная за короткое время, вызывает тяжелое лучевое поражение и может привести к смертельному исходу. Предельно допустимая доза (ПДД) для персонала, работающего с радиоактивными веществами, установлена в 5 бэр/год (или примерно 100 мбэр/неделя).

При этом имеется в виду облучение всего тела, как говорят, тотальное облучение. Для населения установлен предел дозы за год в десять раз меньший – 500 мбэр/год.

ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА.

Широко известная внесистемная единица рентген (Р, R) служит для определения экспозиционной дозы. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см³ воздуха образуется 2.10⁹ пар ионов (суммарный заряд ионов равен одной единице заряда в системе СГС). В Международной системе единиц единицей экспозиционной дозы является 1 кулон на килограмм. Согласно ГОСТу 8848-63, 1 р = 2,57976*10^-4 к/кг. При ср. энергии ионизации молекул воздуха ок. ЗЗ эв 1р эквивалентен 85 эрг/г.

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж / кг = 1 м² / с²

Период полураспада – время, в течение которого радиоактивность вещества уменьшится вдвое.Колеблется от нескольких секунд до миллионов лет. Периоды распада некоторых радионуклидов, внесших значительный вклад в облучение людей при аварии 29.04.1986 г на Чернобыльской АЭС: йод-133 – 20,8 ч, йод-131 – 8,05 сут, церий-144 – 284 сут, церий-137 – 30 лет, рутений-106 – 1 год, стронций-90 – 28 лет, плутоний-239 – 24 тыс. л., уран-238 – 4,5 млрд. лет.

ПРИЧИНЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАДИОНУКЛИДАМИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1. Добыча руды. Сначала из недр Земли извлекают урановую руду. Затем ее дробят. Используемые в настоящее время урановые руды часто содержат менее 0,5% урана. До­биться полного извлечения урана из таких бедных руд нельзя. В результате на поверхности Земли возникают огромные отвалы переработанных руд, так называемые хвосты. Для работы ядерного реактора мощностью в 1 ГВт в течение года требуется переработать столько руды, что объем образовавшихся хвостов превышает 3*10⁵ м³. По имеющимся данным, общий объем ура­новых хвостов в США уже превышает 0,14 км³! Для окружающей среды плохо не только то, что уран при этом оказывается на поверхности Земли и становится возможным воздействие его излучения на человека, но и усиливается переход опасного дочерне­го ²²²Rn в атмосферу. При ветровой эрозии уран попада­ет в виде аэрозолей в воздух, вымывается дождями (особенно сильно современными кислотными) и попа­дает на те участки поверхности, где его раньше не было. К тому же в хвостах после извлечения урана оказывает­ся большая часть дочерних продуктов распада урана — серьезных загрязнителей окружающей среды.
2. Работа реактора. Даже при нормальной (штатной) работе ядерных реакторов в атмосферу постоянно поступает радионук­лид ⁸⁵Кr (Т_1/2 - 10,72 года). Криптон — инертный газ, его трудно удалить, связав в какое-либо химическое со­единение, и образующийся ⁸⁵Кr смешивается с атмо­сферным воздухом. Кроме ⁸⁵Кr при штатной работе реактора в окружающую среду попадают тритий ³Н, радиоиод ¹³¹I и некоторые другие радионуклиды.
3. Отходы. Распространению техногенных радионуклидов по поверхности Земли способствует и отсутствие стопро­центно надежных способов захоронения радиоактивных отходов, образующихся на предприятиях ЯТЦ. Хотя высокорадиоактивные отходы и переводят для безопасного хранения в удобные формы, например смешивая с цементом с образованием твердого бетона, полностью предотвратить переход радионуклидов из этих материалов в окружающую среду не удается.
4. За последние 40 лет каждый из нас подвергался облучению от радиоактивных осадков, которые образовались в результате ядерных взрывов. Как известно после взрыва атомной бомбы в атмосферу попадает огромное количество радиации, которая в последствии выпадает на различных территориях в виде осадков. Попадая в реки, озёра, моря и океаны, РВ поглощаются водными растениями и животными как непосредственно из воды, так и из предыдущего звена пищевой цепи: из водорослей РВ переходят в зоопланктон, для которого водоросли служат пищей, а затем — в организм моллюсков, ракообразных, рыб. С поверхности почвы через корни и из атмосферных выпадений через листья РВ поступают в растения и, продвигаясь по пищевым цепям, а также с питьевой водой, — в организм животных, в том числе сельскохозяйственных, а вместе с их мясом и молоком — в организм человека (в частности, ⁹⁰Sr, попадая в организм человека с овощами или молоком, может накапливаться в костной ткани, особенно у детей). При поглощении РВ растениями или животными обычно происходит значительное повышение их концентрации в биологических объектах по сравнению с содержанием РВ в окружающей среде. Организмы, которые накапливают те или иные РВ в особенно высоких концентрациях, называют «биоиндикаторами Р. з.»; так, водоросль кладофора особенно интенсивно накапливает ⁹¹Y, а моллюск большой прудовик — ⁹⁰Sr. При переходе от одного организма к другому происходит изменение содержания РВ. Например, концентрация ¹³⁷Cs возрастает в цепи лишайники — мышцы оленей — мышцы волков (30, 85 и 181 пкюри/г сухой массы соответственно), а концентрация ⁹⁰Sr в этой же цепи уменьшается (7,2, 0,1 и 0,04 пкюри/г сухой массы). На Р. з. различных элементов биосферы влияют химическая форма и физическое состояние РВ, температура и химический состав окружающей среды, а также др. факторы. Суммарная ожидаемая коллективно эффективная эквивалентная доза от всех ядерных взрывов в атмосфере, произведенных к настоящему времени, составляет 30000000 чел-Зв. К 1980 году человечество получило лишь 12% этой дозы, остальную часть оно будет получать еще миллионы лет. Возьмем для примера широко известный всем Семипалатинский полигон на котором в СССР проводились испытания ядерного оружия к северо-востоку от Семипалатинского полигона находится Алтайский край. Географическое положение Алтайского края и региональные проявления закономерностей глобальной циркуляции атмосферы обусловили близкую к 50% вероятность прохождения радиоактивных продуктов от атмосферных ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне над территорией Алтайского края. Это привело к созданию в мышлении жителей Алтайского края критического и, возможно, не обоснованного отрицательного отношения к использованию атомной энергии в каких бы то ни было целях. В то же время исследования влияния ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне на здоровье населения Алтайского края только начаты. Изучается общее состояние здоровья, функционирование отдельных систем организма, выявление генетических изменений. На данный момент исследования еще не завершены, но у местных жителей были обнаружены учащения случаев заболевания раком и другими заболеваниями.
5. Атомный флот. На первом месте по количеству в российском флоте и во флоте зарубежных стран стоят атомные подводные лодки (АПЛ). Поскольку АПЛ приходится плавать на больших глубинах, а, следовательно, при большом внешнем давлении, то принимаются особые меры по защите реактора. При повреждении реакторного отсека может возникнуть течь, произойдет облучение воды и, подхваченная течением, она может достичь побережья любого континента.

Медицинское облучение охватывает все способы профилактического, диагностического и терапевтического радиационного воздействия на пациента. Оно является, наряду с природным, главным антропогенным фактором облучения населения. В России вклад медицинского облучения в суммарную популяционную дозу составляет ~ 1/3, хотя терапевтическое облучение в нем не учитывается. Медицинское облучение населения России на 98 % формируется за счет профилактических и диагностических рентгеновских исследований охватывающих практически все категории населения. По ожидаемым радиобиологическим эффектам медицинское облучение превосходит все другие виды облучения вместе взятые, т.к. оно является сверхострым в отличие от остальных, которые в большинстве своем являются хроническими или сверххроническими.

Дата добавления: 2014-11-18