2.3.2 Ионизирующие излучения

К ионизирующим (радиоактивным) излучениям относят рентгеновские и γ-излучения, являющиеся электромагнитными колебаниями с очень малой длиной волны, а также α- и β-излучения, позитронное и нейтронное излучения, представляющие собой поток частиц с зарядом или без него. Рентгеновское и γ-излучение вместе называют фотонным излучением. Основное свойство радиоактивных излучений — ионизирующее действие. При прохождении их в тканях нейтральные атомы или молекулы приобретают положительный или отрицательный заряд и превращаются в ионы. α-излучение обладает высокой ионизирующей способностью (до нескольких десятков тысяч пар ионов на 0,01 м своего пути), но незначительным пробегом: в воздухе 0,02...0,11 м, в биологических тканях (2..,6)10^-6 м. Бета-излучение и позитронное излучение — это соответственно потоки электронов и позитронов со значительно меньшей ионизирующей способностью, которая при одинаковой энергии в 1000 раз меньше, чем у β-частиц. Очень большой проникающей способностью обладает нейтронное излучение. Проходя через ткани, нейтроны вызывают в них образование радиоактивных веществ (наведенную активность). Рентгеновские лучи, возникающие при β-излучении или в рентгеновских трубках, ускорителях электронов и т. п., а также γ-излучение, испускаемое радионуклидами, обладают самой низкой способностью ионизировать среду, но самой высокой проникающей способностью. Их пробег в воздухе составляет несколько сот метров, а в материалах, применяемых для защиты от ионизирующих излучений (свинец, бетон),—десятки сантиметров.

Для количественной характеристики ионизирующей способности радиоактивного излучения используют понятие «поглощенная доза»(D) – т.е. величина энергии излучения, переданная единице массы облучаемого вещества. Поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название – грэй (Гр). Доза в органе или ткани (Dт) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела.

Близкая по значению к поглощенной дозе дозиметрическая величина, характеризующая физический эффект взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, используется для количественного описания радиационных эффектов, вызнанных фотонным или нейтронным излучением, называется керма.Керма определяется коэффициентом:

(2.3.8)

где E_tr — переданная заряженным частицам энергия.

Для низкоэнергетических фотонов (E<10 МэВ) керма численно приблизительно равна поглощённой дозе; однако для более высокоэнергетичных фотонов керма и поглощённая доза начинают отличаться. Дело в том, что вторичные электроны высокой энергии могут покинуть поглощающий объём, а некоторые из них могут также потерять часть энергии через тормозное излучение. Эта энергия была бы учтена в керме, но не в поглощённой дозе. Единица кермы, как и поглощённой дозы — джоуль на килограмм, или грэй, Гр, 1 Гр = 1 Дж/кг. Приращение кермы в единицу времени называется мощностью кермы, она измеряется в Гр/с.

Установлено, что биологическое действие одинаковых поглощенных доз разного вида излучений (α, β, γ, и др.) на организм неодинаково. В связи с этим вводят понятие эквивалентной дозы Н_Т.Доза эквивалентная (H_T,R)- поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, W_R:

,

(2.3.9)

где W_R- взвешивающие коэффициенты учитывают относительную эффективность разных видов ионизирующих излучений в индуцировании биологических эффектов. ЗначенияW_Rдля рентгеновского, β-, γ-излучения составляет 1, а для α-частиц, осколков деления тяжелых ядер – 20. Т.е. при одинаковой поглощенной дозе биологическое действие α-излучения будет в 20 раз выше, чем рентгеновского, β- и γ-излучений. Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

( бэр –биологический эквивалент рентгена; Р – Рентген).

Проведение рентгеновских исследований даёт следующие облучения: черепа – 0,8 – 6 Р; позвоночника – 1,6 – 14 Р; грудной клетки – 4,7 – 19,5 Р; зубов – 3 – 5 Р; желудочно-кишечного тракта – 12 – 82 Р; флюорография – 0,2 – 0,5 Р и т.д.

При воздействии Nразных видов излучений с разными взвешивающими коэффициентами эквивалентная дозаН_Т определяется как среднее арифметическое эквивалентных доз для этих видов излучений:

.

(2.3.10)

Для количественной оценки ИИ рентгеновского и излучения используется понятие экспозиционной дозы.Экспозиционной дозаэто отношение суммарного зарядаdQвсех ионов одного знака, созданных в сухом атмосферном воздухе при полном торможении электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха с массойdm, к массе воздуха в указанном объеме:

(2.3.11)

Измеряется экспозиционная доза в кулонах на килограмм . Применяется пока и внесистемная единица – Рентген (Р):.

Экспозиционная доза характеризует ионизационную способность рентгеновского и гамма-излучения в воздухе, т.е. является характеристикой поля фотонного, а не всех видов ионизирующего излучения, причем только в диапазоне энергий от нескольких кэВ до 3МэВ и только для воздуха.

Используется и эффективная доза(Е)– величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения органов человека с учетом их радиочувствительности. Для её оценки введен взвешивающий коэффициент для данного органа. Тогда:

.

(2.3.12)

Коэффициенты W_Tучитывают, что органы человека имеют неодинаковую чувствительность к ионизирующим излучениям. Для гонадW_T= 0,2, для костного мозга, легких, желудка 0,12, для печени 0,05, для кожи 0,01.Эффективная доза позволяет оценить последствия облучения отдельных органов и тканей человека с учетом их радиочувствительности. Чувствительность к ионизирующему излучению всех критически органов разная:

Iгруппа – все тело и гонады (Е=0,2), красный костный мозг (Е=0,12);

IIгруппа – печень (Е=0,05), почки, легкие и т.д. (Е=0,12);

IIIгруппа – кожа, кости и т.д. (Е=0,01).

Ионизирующее излучение вызывает в организме человека цепочку обратимых и необратимых изменений. Пусковым механизмом воздействия являются процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в тканях. Ионизирующее излучение сопровождает распад радиоактивных элементов. Виды излучений представлены на рисунке 2.3.8.

Рисунок 2.3.8 – Виды ионизирующих излучений

Ионизирующее излучение (ИИ) вызывает два вида эффектов:

- детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и другие.);

- вероятностные эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни и другие). На рисунке 2.3.9 представлены реакции человека на воздействие ионизирующего излучения.

Рисунок 2.3.9 - Действие ионизирующих лучей

Степень воздействия радиации зависит от того, является облучение внешним или внутренним. Внутреннее облучение возможно при вдыхании, заглатывании радиоизотопов и проникновении их через кожу (рис. 2.3.10). При этом одни вещества распределяются в организме равномерно, а другие накапливаются только в определенных

Выбросы научно-исследовательских и других лабораторий

Рисунок 2.3.10 – Источники поступления радионуклидов в пищевую цепь и организм человека

(критических) органах и тканях: радиоактивный йод — в щитовидной железе, радиоактивный радий и стронций — в костях и т. п. критические органы разделены на три группы:

I – все тело, гонады, красный костный мозг;

II – печень, почки, легкие, хрусталик глаза и т.д.;

III– кожа, кости, кисти, предплечья, лодыжки, стопы.

Острые поражения развиваются при однократном равномерном γ -облучении всего тела и поглощённой дозевыше 0,25 Гр (Грей). При дозе 0,25…0,5 Гр могут наблюдаться временные изменения в крови, которые быстро нормализуются. В интервале 0,5…1,5 Гр возникает чувство усталости, умеренное изменение в крови, рвота. При дозе 1,5…2,0 Гр наблюдается лёгкая форма острой лучевой болезни. Лучевая болезнь средней тяжести возникает при дозе 2,5…4,0 Гр (в 20% случаев возможен смертельный исход). При дозе 4,0…6 Гр развивается тяжёлая форма лучевой болезни, приводящая в 50% случаев к смерти в течение первого месяца. При дозах, превышающих 6 Гр, развивается крайне тяжёлая форма лучевой болезни, которая почти в 100% случаев заканчивается смертью.

Длительность нахождения радиоактивных веществ в организме зависит от скорости выделения и периода полураспада — времени, за которое радиоактивность снижается вдвое. Удаление таких веществ из организма происходит главным образом через желудочно-кишечный тракт, почки и легкие, частично через кожу, слизистую оболочку рта, с потом и молоком.

Ионизирующие излучения могут вызывать местные и общие поражения (рис. 2.3.11). Степень радиационной опасности радионуклида связана также с продолжительностью его поступления в организм. При высоких коэффициентах усвоения радионуклидов опасные их количества в критических органах могут накапливаться как при однократном, так и хроническом поступлении, а при низких значениях коэффициентов – значимое накопление радионуклидов может наблюдаться только при их хроническом поступлении, в то время как при однократном даже массивном поступлении такой опасности может и не возникнуть.

Рисунок 2.3.11 - Действие ионизирующего излучения

Процессы взаимодействия ИИ с веществом в живых организмах приводят к специфическому биологическому действию, завершающемуся повреждением организма. В процессе этого повреждающего действия условно выделяют три этапа:

1. первичное действие ИИ;

2. влияние радиации на клетки;

3. действие радиации на целый организм (табл. 2.3.8).

5Таблица 2.3.8- Возможные последствия облучения людей.

Доза облучения, Р	Признаки поражения
50	Отсутствие признаков поражения
100	При многократном облучении в течение 10-30 сут. работоспособность не снижается. При остром (однократном) облучении у 10% облученных — тошнота и рвота, чувство усталости, без серьезной потери трудоспособности.
200	При многократном облучении в течение 3 мес. работоспособность не снижается. При остром (однократном) облучении дозой 100-250 Р— слабо выраженные признаки поражения — лучевая болезнь первой степени
300	При многократном облучении в течение года работоспособность не снижается. При остром облучении дозой 250-300 Р — лучевая болезнь второй степени. Заболевание в большинстве случаев заканчивается выздоровлением.
400-700	Лучевая болезнь третьей степени. Сильная головная боль, повышенная температура, слабость, жажда, тошнота, рвота, понос, кровоизлияние во внутренние органы, в кожу и слизистые оболочки, изменение состава крови. Выздоровление возможно при условии проведения своевременного и эффективного лечения. При отсутствии лечения смертность может достигнуть почти 100%
Более 700	Болезнь в большинстве случаев приводит к смертельному исходу. Поражение проявляется через несколько часов — лучевая болезнь четвертой степени
Более 1000	Молниеносная форма лучевой болезни. Пораженные теряют работоспособность практически немедленно и погибают в первые дни после облучения

Наиболее тяжелым последствием воздействия на человека ионизирующего излучения является развитие Конец формылучевой болезни. Развитие лучевой болезни наступает от значительных превышений естественного фона излучений. Учеловекалучевая болезнь может быть обусловлена внешним облучением и внутренним — при попадании радиоактивных веществ в организм любым путем, а также в результате инъекции.

Общие клинические проявления лучевой болезни зависят, главным образом, от полученной суммарной дозы радиации. Дозы до 1 Гр (100 рад) вызывают сравнительно легкие изменения, которые могут рассматриваться как состояние предболезни. Дозы свыше 1 Гр вызывают костно-мозговую или кишечную формы лучевой болезни различной степени тяжести, которые зависят главным образом от поражения органов кроветворения. Дозы однократного облучения свыше 6 Гр считаются абсолютно смертельными. Выделяют две формы лучевой болезни: острую и хроническую. Острая лучевая болезнь (ОЛБ) — наступившая вследствие однократного облучения. По тяжести ОЛБ делят на несколько степеней:

• I степень 1÷2 Гр (проявляется через 14-21 день)

• II степень 2÷4 Гр (через 4-5 дней)

• III степень 4÷6 Гр (после 10-12 часов)

• IV степень >6 Гр (после 30 минут)

Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ)  развивается в результате длительного непрерывного или фракционированного облучения организма в дозах 0,1—0,5 сГр/сут при суммарной дозе, превышающей 0,7—1 Гр. Своеобразие ХЛБ состоит в том, что в активно пролиферирующих тканях, благодаря интенсивным процессам клеточного обновления, длительное время сохраняется возможность морфологического восстановления тканевой организации. В то же время такие стабильные системы, как нервная, сердечно-сосудистая и эндокринная, отвечают на хроническое лучевое воздействие сложным комплексом функциональных реакций и крайне медленным нарастанием незначительных дистрофических изменений.

Также результат воздействия ионизирующих излучений на организм человека может проявиться через длительное время (несколько месяцев или лет) после одноразового или в результате хронического облучения – отдаленные последствия облучения (рис. 2.3.12).

Последствия воздействий ИИ на растения и животных приведены в таблице 2.3.9 и на рисунке 2.3.13. лучевые поражения у животных схожи с таковыми у людей. Лучевое поражение растений заключается в торможении роста, замедлении развития, снижении урожайности, понижении репродуктивного качества семян. Тяжелое поражение приводит к: мутациям, полной остановке роста и гибели растений через несколько недель после облучения.

Таблица 2.3.9 – Последствия лучевой болезни у животных

Доза облучения, Р	Характеристика состояния
150 – 250	Заканчивается выздоровлением облученного животного
250 – 400	Заболевание средней тяжести, тяжело болеет и погибает молодняк
400 – 600	В 50% случаев сопровождается гибелью взрослых особей
600 – 800	Крайне тяжелая степень лучевой болезни, почти со 100% смертельным исходом

Рисунок 2.3.12 – Отдаленные последствия облучения на людей

Рисунок 2.3.13 – Действие излучений на растения

Главную роль в поражении растений играет бета-излучение. Несмотря на более низкую по сравнению с гамма-лучами проникающую способность, большой повреждающий эффект бета – лучей обусловливается сильным поглощением этих лучей органами растений (листьями, точками роста, развивающимися почками, регенеративными органами, развивающимися семенами). Отметим, что при малых дозах воздействия на растительные организмы отмечены положительные эффекты в росте и развитии сельскохозяйственных растений (злаковых).(

Требования к администрации, персоналу и населению по обеспечению радиационной безопасности, использованию средств индивидуальной защиты (СИЗ), соблюдению правил личной гигиены, медицинскому обеспечению радиационной безопасности, организации работ с источниками ионизирующего излучения и другие требования определены в «Основных санитарных правилах обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ - 99)», СП 2.6.1.799 – 99. В соответствии с этими документами в нашей стране существуют следующие основные принципы обеспечения радиационной безопасности:

1) принцип нормирования – не превышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников ИИ;

2) принцип обоснования – запрещение всех видов деятельности по использованию источников ИИ, при которых полученная для человека и общества польза не превышает риск возможного вреда, причинённого дополнительные к естественному фону облучения;

3) принцип оптимизации – поддержание на возможно низком и достижимом уровне индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц при использовании любого источника ИИ.

Нормы радиационной безопасности распространяются на виды излучения, указанные на рисунке 2.3.14. Требования и нормативы по обеспечению безопасности человека во всех условиях воздействия на него ионизирующего излучения искусственного или природного происхождения установлены Нормами радиационной безопасности (НРБ - 99), где установлены следующие категории облучаемых лиц:

1) персонал – лица, работающие с техногенными источниками ионизирующих излучений (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);

2) все население, в т.ч. и персонал вне сферы и условий их производственной деятельности.

При нормальных условиях эксплуатации источников ионизирующего излучения годовая доза облучения населения не должна превышать основные пределы доз (ПД) которые приведены в таблице 2.3.10. При одновременном воздействии на человека источников внешнего и внутреннего облучения годовая эффективная доза не должна превышать пределы доз, установленные в таблице 2.3.10. Основные пределы и все допустимые уровни для персонала группы Б равны ¼ значений для персонала группы А. В гражданской обороне считается, что местность заражена радиоактивными веществами,

Рисунок 2.3.14 – Виды облучения персонала и населения

Таблица 2.3.10 – Основные пределы доз (НРБ – 99)

Нормируемая величина	Пределы доз (1)			Примечание
	Категории облучаемых лиц
	Персонал		Население
	Группа А	Группа Б(2)
Эффективная доза (3)
Среднегодовая за любые последовательные 5 лет	20 мЗв (2 бэр)	5 мЗв (0,5 бэр)	1 мЗв (0,1 бэр)
но не более в год	50 мЗв (5 бэр)	12,5 мЗв (1,25 бэр)	5 мЗв (0,5 бэр) (5)	Для β и γ –излучения 1 бэр = 1Р
за период трудовой деятельности (50 лет)	1 Зв (100 бэр)	0,25 Зв (25 бэр)	_	Начало периодов вводится с 1 января 2000 года
за период жизни (70 лет)	_	_	70 мЗв (7 бэр)

если уровень радиации, измеренный на высоте (0,7-1) м над зараженной поверхностью составил 0,5 Р/ч и выше. Для студентов и учащихся старше 16 лет, проходящих профессиональное обучение с использованием источников ионизирующего излучения (ИИ), годовые дозы не должны превышать значений для персонала группы Б. Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни облучения персонала группы Б, равны ¼ значений для персонала группы А.

Допустимые уровни (ДУ) рассчитываются из основных дозовых пределов, при этом в основу расчета ДУ различных радиационных факторов кладут разные показатели, исходя из особенностей их воздействия. Основные дозовые пределы устанавливают итоговую годовую лучевую нагрузку профессионалов или ограниченной части населения. Для решения же практических вопросов обеспечения радиационной безопасности, осуществления текущего контроля радиационной обстановки, проектирования систем защиты от внешнего и внутреннего облучения в НРБ регламентируются ДУ, которые являются производными от основных дозовых пределов (ПДД и ПД) и устанавливаются как для категории А, так и категории Б (табл. 2.3.11).

  Таблица 2.3.11 – Классификация основных дозовых пределов, допустимых и контрольных уровней

Класс нормативов	Категория А (персонал)	Категория Б (ограниченная часть населения)
Основной дозовый предел	Предельно допустимая доза (ПДД)	Предел дозы (ПД)
Допустимые уровни	Предельно допустимое годовое поступление (ПДП) радионуклида через органы дыхания	Предел годового поступления (ПГП) радионуклида через органы дыхания и пищеварения
	Допустимое содержание (ДСА) радионуклида в критическом органе	Допустимое содержание (ДСБ) радионуклида в критическом органе
	Допустимая мощность дозы (ДМДА) излучения	Допустимая мощность дозы (ДМДБ) излучения
	Допустимая плотность потока частиц (ДПАА)	Допустимая плотность потока частиц (ДППБ)
	Допустимая объемная активность (концентрация) (ДКА) радионуклида в воздухе рабочей зоны	Допустимая объемная активность (концентрация) (ДКБ) радионуклида в атмосферном воздухе и воде
	Допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей (ДЗА)
Контрольные уровни	Контрольное годовое поступление (КГПА) радионуклида через органы дыхания	Контрольное годовое поступление (КГПБ) радионуклида через органы дыхания и пищеварения
	Контрольное содержание (КСА) радионуклида в критическом органе	Контрольное содержание (КСБ) радионуклида в критическом органе
	Контрольная мощность дозы (КМДА) излучения	Контрольная мощность дозы (КМДБ) излучения
	Контрольная годовая доза (КГДА) внешнего облучения	Контрольная годовая доза (КГДБ) внешнего облучения
	Контрольная плотность потока частиц (КППА)	Контрольная плотность потока частиц (КППБ)
	Контрольная концентрация (КкА) радионуклида в воздухе рабочей зоны	Контрольная концентрация (ККБ) радионуклида в атмосферном воздухе и в воде
	Контрольное загрязнение поверхности (КзА)