ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

К числу различных современных факторов и явлений, оказывающих вредное влияние на человека и природную среду, относятся и ионизирующие излучения.

Ионизирующими излучениями (ИИ) называют всякие излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к образованию электрически заряженных частиц. К ИИ относятся квантовые и фотонные излучения. Источниками ИИ являются ядра атомов радиоактивных элементов. К радиоактивным относятся элементы, ядра атомов которых способны самопроизвольно распадаться. Такими элементами, в основном, являются элементы, в которых соотношение числа протонов и нейтронов превышает 1…1,6, т.е. Р/ > 1…1,6.

В настоящее время из всех элементов таблицы Д.И. Менделеева известно более 1500 изотопов. Из этого количества изотопов лишь около 300 стабильных и около 90 являются естественными радиоактивными элементами.

Продукты ядерного взрыва содержат более 100 нестабильных первичных изотопов. Большое количество радиоактивных изотопов содержится в продуктах деления ядерного горючего в ядерных реакторах АЭС.

Таким образом, источниками ИИ могут быть естественные и искусственные радиоактивные вещества, изготовленные на их основе медицинские и научные препараты, продукты ядерных взрывов при применении ядерного оружия, отходы атомных электростанций при авариях на них.

Основной мерой воздействия ИИ на живые организмы является доза излучения (облучения). Доза излучения (Д) в общем – это количество энергии ИИ, поглощенное единицей массы облучаемой среды за время облучения.

Различают дозы: экспозиционную, поглощенную и эквивалентную.

Экспозиционной дозой гамма-излучения (или просто экспозиционной дозой) Д э называется количественная характеристика излучений, основанная на их ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и выраженная отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака, поглощенным в некоторой массе воздуха, к этой массе:

d q

Д э = d m , (1)

где q – суммарный электрический заряд, образованный ИИ в воздухе массой m.

Единицей измерения экспозиционной дозы рентгеновского и g - излучения системе СИ служит кулон на килограмм (Кл/кг).

Внесистемной единицей измерения величины экспозиционной дозы является рентген (Р). Используются и его дольные единицы: миллирентген (мР); микрорентген (мкР).

Один рентген (1Р) – это такая доза гамма-излучения, под действием которой в 1 см3 сухого воздуха при нормальных условиях образуются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Доза в 1Р соответствует образованию 2,08 × 109 пар ионов в 1 см3 воздуха. Если учесть, что заряд электрона равен 1,6 × 10-19 кулона, масса 1 см3 воздуха – 1,29 × 10-6 кг, то 1Р = 2, 58 × 10-4 Кл/кг. Тогда 1 Кл/кг = 3880 Р.

Поглощенная доза ИИ (Д п) – это количество энергии любого вида излучений, поглощенное единицей массы вещества, отнесенное к этой массе:

W

Д п = m , (2)

где W – поглощенная энергия излучений, Дж; m – масса облучаемого вещества, кг.

Единицей измерения поглощенной дозы в системе СИ является Грей (Гр). 1 Гр – это такая доза, при которой 1 кг вещества поглощает энергию в 1 Дж.

Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является рад. 1 рад – это такая доза излучения, при которой 1 г вещества поглощается энергия в 100 эрг.

Исходя из соотношений: 1 Дж = 0,239 кал = 6,25 × 1018 электрон-вольт = 107 эрг, можно записать:

100 эрг 105 эрг

1 рад = 1 г = 1 кг = 10 –2 Дж/кг, т.е. 1 рад = 10 –2 Гр или 1 Гр = 100 рад

Зная, что 1 Р – это такая доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см3 образуется 2,08 × 109 пар ионов (3,3 × 10 –10 Кл), можно определить энергию излучения, затрачиваемую на ионизацию в воздухе при дозе в 1 Р:

2,08 × 109 ´ 34 × 10 –6 ´ 1,6 × 10 -6

1 Р = 1,29 × 10 –3 = 88 эрг/г ,

где 34 × 10 –6 – работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов, М эв ;

1,6 × 10 –6 – переводной коэффициент из М эв в эрг;

1,29 × 10 –3 – масса 1 см3 воздуха в граммах;

1 эв = 1,6 × 10 –19 Дж.

Таким образом, соотношения между единицами измерения экспозиционной и поглощенной дозами составляют:

для воздуха 1 Р = 0,88 рад,

для биоткани 1 Р = 0,93 рад,

1 рад в среднем = 1,44 Р.

Кроме рентгена и рада практическое применение находит и единица измерения дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр).

1 бэр – это единица дозы любого вида ИИ в биологической ткани, которая создает тот же эффект, что и доза в 1 Р рентгеновского или гамма-излучения:

1 бэр = 1 рад × К , где К – коэффициент качества.

Эквивалентная доза (Н) – служит для оценки последствий облучения малыми дозами и определяется как произведение поглощенной дозы на коэффициент качества К, т.е.

Н = Д п × К

Еще ее называют эффектной дозой. Единицей измерения эквивалентной дозы служит зиверт (Зв).

1 Зв = 100 бэр = 100 рад × К

Для измерения поглощенной и эквивалентной дозы используются также дольные единицы рада и зиверта: миллирад (мрад), миллизиверт (мЗв), микрорад (мкрад), микрозиверт (мкЗв).

Коэффициент качества служит для учета биологической эффективности ИИ различных видов при определении биологического эквивалента рентгена и, следовательно, эквивалентной дозы. Он имеет следующие значения: для рентгеновского, гамма, бета и позитронного излучений – 1; для a-излучения с энергией меньше 10 Мэв – 20; для нейтронов с энергией 0,1…10 Мэв – 10; для нейтронов с энергией меньше 20 кэв – 3.

Эквивалентная доза – основная единица в области радиационной безопасности и используется, в основном, в мирное время.

Таким образом, основной мерой, определяющей поражающее действие ИИ, является доза (поглощенная или эквивалентная).

Основным параметром, характеризующим поле или источник ИИ и которым определяется величина возможной дозы излучения, является мощность дозы.

Различают мощности экспозиционной, поглощенной и эквивалентной дозы.

Мощностью дозы излучения Р (или уровнем радиации) называется доза, отнесенная к единице времени: Р = Д / t. Она показывает какую дозу излучения можно получить за единицу времени а данном поле ИИ.

Мощность экспозиционной дозы рентгеновского или гамма-излучения (Р э) – это экспозиционная доза за время t, отнесенная к этому времени: Р э = Д э / t. В системе СИ мощность экспозиционной дозы измеряется в Кулонах на килограмм в секунду (Кл/кг.с). А поскольку Кл/с есть ампер, то Кл/кг.с = А/кг. Внесистемной единицей измерения мощности экспозиционной дозы является рентген в час (Р/ч), а также ее долевые единицы мР/ч, мкР/ч.

Мощность поглощенной дозы (Р п) – это поглощенная доза за время t, отнесенная к этому времени: Р п = Д п / t. Единицей измерения мощности поглощенной дозы служит Грей в секунду: Гр/с = Дж/кг.с = Вт/кг. Внесистемной единицей служит рад в час (рад/ч) и ее долевые единицы: мрад/с и мкрад/с.

Мощность эквивалентной дозы (Р н) – это величина эквивалентной дозы за время t, отнесенная к этому времени: Р н = Н / t. Единицей измерения мощности эквивалентной дозы в системе СИ служит Зиверт в секунду (Зв/с). Внесистемная единица – бэр в час (бэр/ч) и ее производные: мбэр/ч и мкбэр/ч.

Основной характеристикой источника ИИ является активность. Активность – есть мера интенсивности распада радиоактивных веществ и определяется как количество распадов ядер атомов радиоактивного вещества в единицу времени. В системе СИ за единицу активности принят Беккерель (Бк). 1 Бк – это количество вещества, в котором происходит один распад в секунду. Внесистемной единицей является Кюри (Ки). 1 Ки – это количество вещества, в котором в одну секунду происходит 37 × 109 распадов или 2,2 × 1012 распадов в минуту. Используют также долевые единицы: мКи, мкКи.

Для определения степени загрязнения местности, продуктов питания и воды используют единицы: Ки/км2, Ки/м2, Ки/кг, Ки/л.

Чем больше период полураспада (Т) и массовое число радиоактивного элемента, тем большее его количество соответствует 1 Ки. Например, одному Кюри соответствует: 1 мг Со-60 (Т = 5 лет), 1 г Rа-226 (Т = 1590 лет), 16 г Рu-239 (Т = 2400 лет), 570 кг U-235 (Т = 880 млн. лет).

Активность радиоактивных веществ со временем уменьшается по закону: t

а = а 0 × е 0,693 T ,(3)

где а 0 – активность вещества в начальный момент времени (t = 0);

t – текущее время, на которое определяется активность;

Т – период полураспада вещества.

Уменьшение активности источника ИИ приводит к уменьшению мощности дозы и дозы излучения.

Наиболее чувствителен к воздействию ИИ человек. В результате облучения ИИ у человека развивается лучевая болезнь, которая может привести к летальному исходу.

Чем больше доза излучения, тем сильнее ее поражающее воздействие. Большое значение имеют условия облучения. Одна и та же доза, полученная в различные промежутки времени или с перерывами, оказывает различный биологический эффект. Так, доза в 1000 рад окажется смертельной при однократном воздействии ИИ на все тело, но такая же доза не вызовет смерти и выраженных расстройств в организме, если будет постепенно воспринята человеком в течение 30 лет.

На степень поражения организма оказывают влияние и индивидуальные особенности. У одних людей заболевания и смерть могут наступить после однократного облучения дозой 200 рад, в то время как другие останутся живы после облучения дозой 400 рад.

Воздействие ИИ на животных также вызывает у них заболевание лучевой болезнью, тяжесть которой зависит от величины поглощенной дозы. Степени лучевой болезни у животных развиваются такие же, как и у человека. При этом вызываются они не очень отличающимися дозами излучения, что видно из нижеприведенной таблицы. Воздействие ИИ на животных также зависит от их индивидуальных особенностей. Сравнительные дозы, вызывающие лучевую болезнь у людей и животных приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные значения доз излучения, вызывающие лучевую болезнь у человека и животных

Радиоактивные вещества любого происхождения оказывают вредное воздействие и на растения. В зависимости от величины радиоактивных частиц на поверхности растений может задерживаться от 8 до 90% выпавших на землю радиоактивных веществ. Растения наиболее чувствительны к облучению в период ранних фаз развития, когда страдают зоны активного роста, т.е. молодые делящиеся клетки. При этом растениям разных видов и сортов присуща неодинаковая радиационная устойчивость. Лучевое поражение у растений проявляется в торможении роста и замедлении развития, снижении урожая, понижении репродуктивного качества семян, клубней, корнеплодов. При больших дозах облучения возможна гибель растений, проявляющаяся в остановке роста и усыхании. В зонах радиоактивного загрязнения поражаются и могут погибать деревья лесных массивов. Величины летальных доз излучения для сельскохозяйственных культур и деревьев различных видов приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Летальные дозы однократного кратковременного g-облучения для различных растений, находящихся на фазах вегетации

Радиоактивные вещества, выпадающие на растения, не только загрязняют их, но и частично всасываются внутрь. Внутрь растений радиоактивные вещества поступают также из почвы. Загрязнение земельных угодий исключает их из землепользования или ограничивает возможность использования. Изотопы, попавшие в почву, мигрируют по цепочкам: почва-растение-человек; почва-растение-животное-человек. Радиоактивные вещества попадают также и в водоемы из атмосферы или за счет смыва с почвы. В результате заражается вода, заражаются или гибнут рыбы и другие обитатели водоемов. Человек, употребляя зараженную радиоактивными веществами воду, употребляя в пищу зараженные радиоактивными веществами сельскохозяйственные продукты или продукты зараженных морей, рек, водоемов, подвергается поражению.

Радиоактивные вещества (источники ИИ), попадая на поверхность зданий, сооружений, техники, транспорта, оборудования и других объектов, также представляют опасность для человека.

Воздействию ИИ человек подвергается в той или иной мере практически постоянно: за счет воздействия природных излучений (солнечная и космическая радиация, излучение из недр земли и др.), при работе с источниками ИИ на предприятиях (учреждениях), при проведении медицинских рентгенорадиологических процедур и т.п. Но наиболее массовое облучение людей может иметь место при применении ядерного оружия, а также при крупных авариях на радиационно-опасных объектах. Это требует от федеральных, региональных, местных органов власти, министерств, ведомств, предприятий строгого соблюдения основ радиационной безопасности.

Своевременное обнаружение радиоактивного заражения, определение степени его влияния на безопасность и деятельность персонала предприятий и населения является важнейшей задачей системы радиационной разведки и дозиметрического контроля. Система радиационной разведки и дозиметрического контроля включает силы и средства.

Под силами понимаются организационные структуры, которые занимаются разведкой и контролем. К ним относятся: учреждения сети наблюдения и лабораторного контроля (гидрометеостанции, центры санитарно-эпидемиологического наблюдения, ветеринарные лаборатории, агрохимлаборатории, объектовые лаборатории, институты и т.д.), посты радиационного и химического наблюдения и другие разведывательные формирования, лаборатории, промышленные предприятия, административные структуры гражданской обороны и т.д.

К средствам радиационной разведки и дозконтроля относятся дозиметрические приборы, которыми те или иные структуры оснащаются. Именно дозиметрическими приборами, в основном, определяется эффективность радиационной разведки и контроля.