Гигиеническое нормирование ионизирующего излучения, меры и способы защиты

Содержание

 

 

 

 

48. Гигиеническое нормирование ионизирующего излучения, меры и способы защиты  

Быстрое развитие ядерной  энергетики и широкое применение источников ионизирующих излучений (ИИИ) в различных областях науки, техники и народного хозяйства создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Поэтому вопросы защиты от ионизирующих излучений (радиационная безопасность) превращаются в одну из важнейших проблем.

Радиация (от латинского radiatio - излучение) характеризуется лучистой энергией. Ионизирующим излучением (ИИ) называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся при ядерных превращениях, т.е. в результате радиоактивного распада. Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское и гамма-излучения, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов. Ионизирующее излучение прямо или косвенно вызывает ионизацию среды, т.е. образование заряженных атомов или молекул - ионов.

Источниками ИИ могут  быть природные и искусственные  радиоактивные вещества, различного рода ядерно-технические установки, медицинские препараты, многочисленные контрольно-измерительные устройства (дефектоскопия металлов, контроль качества сварных соединений). Они используются также в сельском хозяйстве, геологической разведке, при борьбе со статическим электричеством и др.

Некоторые характеристики основных радиоактивных элементов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики основных радиоактивных элементов

 

Название элемента	Характеристика элемента и меры предосторожности	Период полураспада
1	2	3
Радон-222	Газ, испускающий альфа-частицы. Постоянно образуется в горных породах. Опасен при накоплении в шахтах, подвалах, на 1 этаже. Необходима вентиляция (проветривание).	3,8 суток
Ксенон-133	Газообразные изотопы. Постоянно образуются и распадаются  в процессе работы атомного реактора. В качестве защиты используют изоляцию.	5 суток
Йод-131	Испускает бета-частицы  и гамма-излучение. Образуется при  работе атомного реактора. Вместе с  зеленью усваивается жвачными животными  и переходит в молоко. Накапливается  в щитовидной железе человека. В качестве защиты от внутреннего облучения применяют "йодную диету", т.е. вводят в рацион человека стабильный йод.	8 суток
Криптон-85	Тяжёлый газ, испускающий  бета-частицы и гамма-излучение. Входит в состав отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при их хранении. Защита - изолированное помещение.	10 лет
Стронций-90	Металл, испускающий бета-частицы. Основной продукт деления в радиоактивных  отходах. Накапливается в костных  тканях человека.	29 лет
Цезий-137	Металл, испускающий бета-частицы  и гамма-излучение. Накапливается в клетках мышечной ткани.	30 лет
Радий-226	Металл, испускающий гамма-излучение, альфа  и бета-частицы. Защита - укрытия и убежища.	1600 лет
Углерод-14	Испускает бета-частицы. Естественный природный изотоп углерода. Используется при определении возраста археологического материала.	5500 лет
Плутоний-239	Испускает альфа-частицы. Содержится в радиоактивных отходах. Защита - качественное захоронение  радиоактивных отходов.	24000 лет
Калий-40	Испускает бета-частицы  и гамма-излучение. Содержится и замещается (выводится) во всех растениях и животных.	1,3 млрд. лет

 

Геодезисты могут сталкиваться с ионизирующими излучениями  при выполнении работ на ускорителях  заряженных частиц (синхрофазотронах, синхротронах, циклотронах), а также  на атомных электростанциях, на урановых рудниках и др.

Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия. Эти частицы испускаются  при радиоактивном распаде некоторых  элементов с большим атомным  номером, в основном это трансурановые  элементы с атомными номерами более 92. Альфа-частицы распространяются в средах прямолинейно со скоростью около 20 тыс. км/с, создавая на своём пути ионизацию большой плотности. Альфа-частицы, обладая большой массой, быстро теряют свою энергию и поэтому имеют незначительный пробег: в воздухе - 20-110 мм, в биологических тканях - 30-150 мм, в алюминии - 10-69 мм.

Бета-частицы - это поток  электронов или позитронов, обладающий большей проникающей и меньшей  ионизирующей пособностью, чем альфа-частицы. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и сразу же излучаются оттуда со скоростью, близкой к скорости света. При средних энергиях пробег бета-частиц в воздухе составляет несколько метров, в воде - 1-2 см, в тканях человека - около 1 см, в металлах - 1 мм.

Рентгеновское излучение  представляет собой электромагнитное излучение высокой частоты и  с короткой длиной волны, возникающее  при бомбардировке вещества потоком  электронов. Важнейшим свойством  рентгеновского излучения является его большая проникающая способность. Рентгеновские лучи могут возникать в рентгеновских трубках, электронных микроскопах, мощных генераторах, выпрямительных лампах, электронно-лучевых трубках и др.

Гамма-излучение относится  к электромагнитному излучению  и представляет собой поток квантов энергии, распространяющихся со скоростью света. Они обладают более короткими длинами волн, чем рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через тело человека и другие материалы без заметного ослабления и может создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии нейтроны условно делятся на быстрые, сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работе ускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные потоки быстрых и тепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения.

Вещества, способные создавать  ионизирующие излучения, различаются  активностью (А), т.е. числом радиоактивных превращений в единицу времени. В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду (распад/с). Эта единица получила название беккерель (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки), равная активности нуклида, в котором происходит 3,7 · 10¹⁰ актов распада в одну секунду, т.е.

1 Ки = 3,7·10¹⁰Бк.

Единице активности кюри соответствует активность 1 г радия (Rа).

Для характеристики ионизирующих излучений введено понятие дозы облучения. Различают три дозы облучения: поглощённая, эквивалентная и экспозиционная.

Степень, глубина и  форма лучевых поражений, развивающихся  среди биологических объектов при  воздействии на них ионизирующего  излучения, в первую очередь зависят  от величины поглощённой энергии излучения или поглощённой дозы (Д_погл).

Поглощённая доза - энергия, поглощённая единицей массы облучаемого  вещества.

За единицу поглощённой  дозы облучения принимается грей (Гр), определяемый как джоуль на килограмм (Дж/кг). Соответственно

1 Гр = 1 Дж/кг.

В радиобиологии и  радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица поглощённой  дозы - рад. Рад - это такая поглощённая  доза, при которой количество поглощённой  энергии в 1г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения. Соразмерность грея и рада следующая:

1 Гр= 100 рад.

В связи с тем, что  одинаковая поглощённая доза различных  видов ионизирующего излучения  вызывает в единице массы биологической  ткани различное биологическое  действие, введено понятие эквивалентной дозы (Д_экв), которая определяется как произведение поглощённой дозы на средний коэффициент качества действующих видов ионизирующих излучений.

Коэффициент качества (К_кач) характеризует зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека от способности ионизирующего излучения различного вида передавать энергию облучаемой среде (табл. 3.3).

По существу, биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, сравниваются с эффектом от рентгеновского и гамма-излучения.

В качестве единицы измерения  эквивалентной дозы в системе  СИ принят зиверт (Зв). Зиверт - эквивалентная  доза любого вида ионизирующего излучения, поглощённая 1 кг биологической ткани и приносящая такой же биологический эффект (вред), как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Существует также внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирующего излучения - бэр (биологический эквивалент рентгена). При этом соразмерность следующая:

Д_экв = Д_погл ·К_кач     или     1 Зв = 1 Гр · К_кач;

1 Зв = 100 рад · К_кач = 100 бэр.

Таблица 2

Значения К_кач для разных видов ионизирующего излучения

 

Вид излучения	Коэффициент качества (Ккач)
Рентгеновское и гамма-излучения	1
Электроны и позитроны, бета-излучение	1
Протоны	10
Нейтроны тепловые	3
Нейтроны быстрые	10
Альфа-частицы и тяжёлые  ядра отдачи	20

 

Для оценки эквивалентной дозы, полученной группой людей (персонал объекта  народного хозяйства, жители населённого пункта и т.п.), используется понятие коллективная эквивалентная доза (Д_экв.к.) - это средняя для населения доза, умноженная на численность населения (в человеко-зивертах).

Понятие экспозиционная доза (Д_эксп) служит для характеристики рентгеновского и гамма-излучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе фотонного излучения, при котором в 1 кг атмосферною воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл).

Соответственно 

Д_эксп = КЛ/КГ.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и  гамма-излучения является рентген (Р).

При этом соразмерность  следующая:

1 Р = 2,58 · 10^-4 Кл/кг     или     1 Кл/кг =3,88 · 10³ Р.

Поглощённая, эквивалентная  и экспозиционная дозы, отнесённые к единице времени, носят название мощности соответствующих доз. 
Например

1. Мощность поглощённой дозы (Р_погл) - Гр/с или рад/с.
2. Мощность эквивалентной дозы (Р_экв) - Зв/с или бэр/с.
3. Мощность экспозиционной дозы (Р_эксп) - Кл/(кг · с) или Р/с.

Для упрощенной оценки информации по однотипному ионизирующему излучению можно использовать следующие соотношения.

1. 1 Гр = 100 бэр = 100 Р = 100 рад = 1 Зв (с точностью до 10-15%);
2. радиоактивное загрязнение плотностью 1 Ки/м² эквивалентно мощности экспозиционной дозы 10 Р/ч, или мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения 1 Р/ч соответствует загрязнению в 10 мкКи/см².

Различают два вида эффекта  воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте последствия  проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом - у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30-60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

При изучении действия излучения  на организм были выявлены следующие  особенности:

1. Высокая эффективность поглощённой энергии, даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.
2. Наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия ионизирующих излучений.
3. Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться.
4. Генетический эффект - воздействие на потомство.
5. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.
6. Не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на облучение.
7. Облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем более дробно оно получено во времени.

Ионизирующее излучение может оказывать влияние на организм как при внешнем (особенно рентгеновское и гамма-излучение), так и при внутреннем (особенно альфа-частицы) облучении. Внутреннее облучение происходит при попадании внутрь организма через лёгкие, кожу и органы пищеварения источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь ИИИ подвергают непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы.

Под действием ионизирующего  излучения вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется и образуются ионы с разными зарядами. Полученные свободные радикалы и окислители взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая её. Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови - снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к инфекционным осложнениям.