Ионизирующие излучения (ИИ) – это излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию зарядов противоположных знаков. Другими словами, ИИ при взаимодействии с веществом способны создавать в нем заряженные атомы и молекулы – ионы.

Практически в первые же годы после открытия ионизирующего излучения исследователи столкнулись с его отрицательными эффектами. В 1895 г. помощник Рентгена В. Груббе получил радиационный ожог рук при работе с рентгеновскими лучами, а А. Беккерель, открывший радиоактивность, положил однажды в карман пробирку с радием и получил сильный ожог кожи. Мария Кюри, с именем которой мы связываем начало научных исследований радиоактивности и становление ядерной физики, как считается умерла от одного из злокачественных заболеваний крови, явившегося последствием длительного облучения.

Крупнейшие специалисты, обеспокоенные вредным воздействием ионизирующих излучений, в конце 20-х годов создали Международную Комиссию по радиационной защите (МКРЗ), которая разрабатывала и продолжает разрабатывать правило работы с радиоактивными веществами. На основе рекомендаций МКРЗ национальные эксперты разрабатывают национальные нормативы в своих странах.

В начале 50-х годов, когда мир уже знал о последствиях атомных бомбардировок японских городов, когда ядерные державы проводили испытания ядерного оружия в атмосфере мировая общественность стала проявлять беспокойство по поводу воздействия ионизирующих излучений на человека и окружающую среду. Тогда, в 1955 г. Генеральная Ассамблея ООН основала Научный Комитет по действию атомной радиации (НКДАР) ® (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR). Он занимается изучением действия радиации, независимо от ее источника на окружающую среду и население. Он не устанавливает норм радиационной безопасности, не дает рекомендаций, не изыскивает средств защиты, а служит источником сведений, на основе которых МКРЗ и национальные комиссии вырабатывают соответствующие нормы и рекомендации (в России – Санкт Петербургский МИИ радиационной гигиены).

1. Краткая характеристика различных видов ИИ

а) Корпускулярное излучение.

1) Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде или при ядерных реакциях. Энергия частиц – несколько МэВ. Пробег a-частиц в воздухе достигает 8-9 см, а в живой ткани – несколько десятков микрометров.

Обладая сравнительно большой массой a-частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии с веществом, что обусловливает их низкую проникающую способность и высокую ионизирующую способность (на 1 см пути в воздухе – несколько десятков тыс. пар ионов).

2) Бета-излучение – поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. Энергия – до нескольких МэВ. Максимальный пробег в воздухе – 1800 см, в живых тканях – 2,5 см. Ионизирующая способность b-излучения на три порядка (до нескольких десятков пар ионов на 1 см) ниже чем у a-частиц, а проникающая способность выше, т. к. при одинаковой с a-частицами энергии они обладают значительно меньшей массой и зарядом.

3) Нейтронное излучение. Нейтроны преобразуют свою энергию в т. н. упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.

При упругих взаимодействиях происходит обычная ионизация вещества.

При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и g-квантов (гамма-излучение).

Проникающая способность нейтронов существенно зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которым они взаимодействуют.

б) Электромагнитное излучение.

1) Рентгеновское излучение – возникает в среде, окружающей источ-ник b-излучения, в рентгеновских трубках, ускорителях электронов, электронно-лучевых трубках и т. п. Оно представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучения.

Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц.

Характеристическое излучение – это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома.

Энергия фотонов рентгеновского излучения составляет £ 1 МэВ. Оно обладает малой ионизирующей способностью, но большой проникающей способностью.

2) Гамма-излучение – это электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Его энергия находится в пределах 0,01 ¸ 3 МэВ. Длины волн g-излучения меньше, чем длины волн рентгеновского излучения. Поскольку с уменьшением длины волны проникающая способность излучения возрастает, g-излучение обладает весьма высокой проникающей способностью. Ионизирующая способность его, соответственно, мала.

2. Единицы активности и дозы ионизирующих излучений

Активность (А) радиоактивного вещества – число спонтанных ядер-ных превращений (dN) в этом веществе за малый промежуток времени (dt):

1 Бк (беккерель) равен одному ядерному превращению в секунду. В литературе, изданной до 1996 года часто ввстречается прежняя (внесистемная) единица – Кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 ×10¹⁰ Бк.

Экспозиционная доза (характеризует источник излучения по эффекту ионизации):

где dQ – полный заряд ионов одного знака, возникающий в воздухе в данной

точке пространства при полном торможении всех вторичных электронов, которые были образованы фотонами вы малом объеме (dm) воздуха.

Экспозиционная доза на рабочем месте при работе с радиоактивными веществами:

где А – активность источника [мКи], К_g – гамма-постоянная изотопа [Р × см2 / (ч × мКи)] – из справочника, t – время облучения, r – расстояние от источника до рабочего места [см ].

При дозиметрическом контроле используется также мощность экспозиционной дозы [р×ч^-1].

Поглощенная доза это фундаментальная дозиметрическая величина, определяемая по формуле:

Здесь dE – средняя энергия, переданная излучением веществу в некотором элементарном объеме, dm – масса вещества в этом объеме.

В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж×кг^-1 и имеет специальнрое название грей (Гр). Ранее широко использовалась внесистемная единица «рад», поэтому следует помнить соотношение между этими единицами:

Величина поглощенной дозы зависит от свойств излучения и поглощающей среды. Поглощенная доза связана с экспозиционной дозой соотношением

Д_погл. = Д_эксп. ×К₁,

где К₁ – коэффициент, учитывающий вид облучаемого вещества (воздух, вода и т. п.), т. е. учитывающий отношение энергии, поглощаемой данным веществом, к электрическому заряду ионов, образованных в воздухе такой же массы. При экспозиционной дозе в 1 Р энергия g-излучения, расходуемая на ионизацию 1 г воздуха равна 0,87 рад, т. е. для воздуха

В человеческом организме:

- для воды К₁ = 0,887 … 0,975 рад/Р,

- для мышц К₁ = 0,933 … 0,972 рад/Р,

- для костей К₁ = 1,03 … 1,74 рад/Р.

В целом для организма человека при облучении от g-источника коэффициент

В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза 0,88 рад.

В дозиметрической практике часто сравнивают радиоактивные препараты по их g-излучению. Если два препарата при тождественных условиях измерения создают одну и ту же мощность экспозиционной дозы, то говорят, что они имеют одинаковый g-эквивалент.

Гамма-эквивалент m_Ra источника – условная масса точечного источника ²²⁶Ra, создающего на некотором расстоянии такую же мощность экспозиционной дозы как и данный источник. Единица – 1кг-экв Ra.

В связи с тем, что одинаковая доза различных видов излучения вызывает в живом организме различное биологическое действие, введено понятие эквивалентной дозы.

Поглощенная доза не учитывает того, что при одинаковой поглощенной энергии a-излучение, например, гораздо сильнее воздействует на живую ткань, чем b- или g-излучение, так как его ионизирующая способность в несколько раз выше. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий неодинаковую ионизирующую способность различных видов излучения.

Эквивалентная доза (Н) – величина, введенная для оценки радиационной опасности хронического облучения излучением произвольного состава

Н = Д × Q [Зв] 1 Зв = 100 бэр.

Q – безразмерный взвешивающий коэффициент для данного вида излучения. Для рентгеновского и g-излучения Q=1, для альфа-, бета-частиц и нейтронов Q=20.

При расчете эквивалентной дозы для a-активных нуклидов учитывается еще и коэффициент распределения дозы. КР, учитывающий влияние неоднородности распределения нуклидов в ткани и его канцерогенную эффективность по отношению к ²²⁶ Ra.

До 1996 года в СССР, а затем в в СНГ в качестве единицы измерения эквивалентной дозы использовался «бэр» – поглощенная доза любого вида излучения, которая вызывает равный биологический эффект с дозой в 1 рад рентгеновского излучения. Таким образом, бэр – “биологический эквивалент рада”. С 1996 года на территории России использование старых внесистемных единиц «рад», «бэр», а также «кюри» в литературе, официальных документах не допускается. В системе СИ единицей измерения для эквивалентной дозы является зиверт (Зв). Соотношение с прежней единицей то же, что и для поглощенной дозы: 1Зв = 100 бэр.

При определении эквивалентной дозы следует учитывать также, что одни части тела (органы; ткани) более чувствительны к облучению, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятнее, чем в щитовидной железе, мышечной ткани, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав их по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу (рисунок 2), отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах. Эффективная эквивалентная доза используется для оценки риска отдаленных последствий облучения.

Просуммировав индивидуальные эквивалентные дозы, мы получим коллективную эффективную эквивалентную дозу, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).

Однако многие радионуклиды распадаются очень медленно (например, уран 238 - п/п = 4,47 млрд. лет, U²³⁴ – 245000 лет, торий 230 – 8000 лет, Ra²²⁶ – 1600 лет) и останутся радиоактивными и отдаленном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

1,00 – организм в целом

Рисунок 2 – Эффективная эквивалентная доза

3. Биологическое действие ионизирующих излучений

3.1 Механизм действия ИИ на биологические объекты

Биологический эффект ионизирующих излучений тем больше, чем больше произошло актов ионизации в живом веществе. Другими словами, биологическое действие излучения зависит от числа образованных пар ионов или соответственно, величины поглощенной энергии.

Ионизации живой ткани приводит к разрыву молекулярных связей и изменению химической структуры различных соединений. Такие изменения на молекулярном уровне приводят в конечном итоге к гибели клеток.

Так под влиянием излучений в живой ткани происходит расщепление воды на атомарный водород Н ⁺ и гидроксильную группу ОН ^- , которые, обладая высокой химической активностью, вступают в соединения с другими молекулами ткани и образуют новые химические соединения, не свойственные здоровой ткани. Таким образом, в результате прошедших изменений нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ нарушается.

Нарушение процессов жизнедеятельности организма выражается в таких расстройствах как

- торможение функций кроветворных органов,

- нарушение нормальной свертываемости крови и повышение хрупкос- ти кровеносных сосудов,

- расстройство деятельности желудочно-кишечного тракта,

- снижение сопротивляемости инфекциям,

- истощение организма и др.

Говоря о биологическом действии ионизирующих излучений, следует различать внешнее и внутреннее облучение.

Внешнее облучение. Под внешним облучением понимают такое воздействие излучения на человека, когда источник радиации расположен вне организма и исключена вероятность попадания радиоактивных веществ внутрь организма.

Внешнее облучение возможно при работе на рентгеновских аппаратах и ускорителях или же при работе с радиоактивными веществами, находящимися в герметичных ампулах. Наиболее опасными при внешнем облучении являются бета-излучение, нейтронное излучение, гамма- и ренгеновское излучения. Биологический эффект зависит от дозы облучения, вида излучения, времени воздействия, размеров облучаемой поверхности, ее локализации на теле, индивидуальной чувствительности организма.

Так a- и b-частицы, обладая незначительной проникающей способностью, вызывают при внешнем облучении только кожные поражения.

Жесткие рентгеновские и g-лучи, обладающие высокой проникающей способностью, могут привести к летальному исходу, не вызвав изменений кожных покровов.