Виды ионизирующих излучений

1. Основные термины и определения.

     Ионизи́рующее излуче́ние— различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовое излучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Излучение микроволнового и радиодиапазонов не является ионизирующим.

     а) Природа ионизирующего излучения

     Наиболее  значимы следующие типы ионизирующего  излучения: коротковолновое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучения), потоки заряжённых частиц: бета-частиц (электронов и позитронов), альфа-частиц (ядер атома гелия-4), протонов, других ионов, мюонов и др., а также нейтронов.

     б) Источники ионизирующего излучения

     В природе ионизирующее излучение  обычно генерируется в результате спонтанного  радиоактивного распада радионуклидов, ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др.), а также при  ускорении заряженных частиц в космосе (природа такого ускорения космических  частиц до конца не ясна). Искусственными источниками ионизирующего излучения  являются искусственные радионуклиды (генерируют альфа-, бета- и гамма-излучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и гамма-излучение), радионуклидные нейтронные источники, ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют тормозное рентгеновское излучение). 

     в) Биологическое действие ионизирующих излучений

     Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных  радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек  макромолекул (белков и нуклеиновых  кислот), что может привести как  к массовой гибели клеток, так и  канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего  излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

     г) Гигиеническое нормирование ионизирующих излучений

     Нормирование  осуществляется по санитарным правилам и нормативам СанПин 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». Устанавливаются дозовые пределы эквивалентной дозы для следующих категорий лиц:

     персонал  — лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа А) или  находящиеся по условиям работы в  сфере их воздействия (группа Б); все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий в их производственной деятельности.

     Применение  ионизирующих излучений

     Ионизирующие  излучения применяются в различных  отраслях тяжёлой (интроскопия) и пищевой (стерилизация инструментов, расходных  материалов и продуктов питания) промышленности, а также в медицине (лучевая терапия, ПЭТ-томография).

     Доза  излучения

     До́за излуче́ния — в физике и радиобиологии — величина, используемая для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, ткани и живые организмы.

     Экспозиционная  доза

     Основная  характеристика взаимодействия ионизирующего  излучения и среды — это  ионизационный эффект. В начальный  период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь  дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому  в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень  ионизации воздуха рентгеновских  трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации  сухого воздуха при нормальном атмосферном  давлении, достаточно легко поддающаяся  измерению, получила название экспозиционная доза.

     Экспозиционная  доза определяет ионизирующую способность  рентгеновских и гамма-лучей и  выражает энергию излучения, преобразованную  в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза — это  отношение суммарного заряда всех ионов  одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в  этом объёме.  

     Поглощенная доза 

     При расширении круга известных видов  ионизирующего излучения и сфер его приложения, оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения  на вещество не поддается простому определению из-за сложности и  многообразности протекающих при  этом процессов. Важным из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза. Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества. За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр).

     Эквивалентная доза

     Изучение  отдельных последствий облучения  живых тканей показало, что при  одинаковых поглощенных дозах различные  виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более  тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани  больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем  плотнее ионизация, создаваемая  излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной  дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной  дозы на специальный коэффициент  — коэффициент относительной  биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества.

     Единицей  измерения эквивалентной дозы в  СИ является зиверт (Зв). Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр.

     Эффективная доза

     Эффективная доза (E) — величина, используемая как  мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты.

     Значение  коэффициента радиационного  риска для отдельных  органов.

     Органы, ткани Коэффициент

     Гонады (половые железы) 0,2

     Красный костный мозг  0,12

     Толстый кишечник  0,12

     Желудок  0,12

     Лёгкие  0,12

     Мочевой пузырь  0,05

     Печень  0,05

     Пищевод  0,05

     Щитовидная  железа  0,05

     Кожа  0,01

     Клетки  костных поверхностей 0,01

     Головной  мозг  0,025

     Остальные ткани  0,05 

     Эффективная и эквивалентная дозы - это нормируемые  величины, т.е.величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от воздействия ионизирующего излучения на человека и его потомков. К сожалению, они не могут быть непосредственно измерены. Поэтому в практику введены операционные дозиметрические велины, однозначно определяемые через физические характеристики поля излучения в точке, максимально возможно приближенные к нормируемым. Основной операционной величиной является амбиентный эквивалент дозы (синонимы - эквивалент амбиентной дозы, амбиентная доза).

     Групповые дозы

     Подсчитав индивидуальные эффективные дозы, полученные отдельными людьми, можно прийти к  коллективной дозе — сумме индивидуальных эффективных доз в данной группе людей за данный промежуток времени. Коллективную дозу можно подсчитать для населения отдельной деревни, города, административно-территориальной  единицы, государства и т. д. Её получают путем умножения средней эффективной  дозы на общее количество людей, которые  находились под воздействием излучения. Единицей измерения коллективной дозы является человеко-зиверт (чел.-Зв.), внесистемная единица — человеко-бэр (чел.-бэр).

     Кроме того, выделяют следующие  дозы:

     Коллективная  доза может накапливаться в течение  длительного времени, даже не одного поколения, а охватывая последующие  поколения.

     -пороговая — доза, ниже которой не отмечены проявления данного эффекта облучения.

     -предельно допустимые дозы (ПДД) — наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами (НРБ-99)

     -предотвращаемая — прогнозируемая доза вследствие радиационной аварии, которая может быть предотвращена защитными мероприятиями.

     удваивающая — доза, которая увеличивает в 2 раза (или на 100%) уровень спонтанных мутаций. Удваивающая доза обратно  пропорциональна относительному мутационному риску. Согласно имеющимся в настоящее время данным, величина удваивающей дозы для острого облучения составляет в среднем 2 Зв), а для хронического облучения — около 4 Зв. 

     2. Принцип управления ограничением дозовых нагрузок населения

     Жизнь на Земле появилась и развивалась  на фоне ионизирующей радиации. Потому биологическое действие её не является каким-то новым раздражителем в пределах естественного радиационного фона. Считают, что часть наследственных конфигураций и мутаций у животных и растений связана с радиационным фоном.

     В базе повреждающего деяния ионизирующих излучений лежит комплекс взаимосвязанных  действий. Ионизация и возбуждение  атомов и молекул дают начало образованию  высокоактивных радикалов, вступающих в следующем в реакции с разными биоструктурами клеток. В повреждающем действии радиации принципиальное значение имеют вероятный разрыв связей в молекулах за счет конкретного деяния радиации, также внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения. В следующем развитие лучевого поражения проявляется в нарушении обмена веществ с конфигурацией соответственных функций.

     Реакция человеческого организма на ионизирующее облучение зависит от дозы и времени облучения, размера поверхности тела, подвергшегося облучению, типа излучения и мощности дозы. Степень чувствительности человечьих тканей к облучению различна. Чувствительность их в порядке уменьшения последующая: кроветворные органы, половые органы, ткань кожного покрова внутренних и внешних органов, ткань мозга и мышечная ткань, костные и хрящевые клеточки, клеточки нервной ткани. Чем моложе человек, тем выше его чувствительность к облучению. Человек в возрасте 30-50 лет более устойчив к облучению.

     Для категорий облучаемых лиц инсталлируются три класса нормативов:

     -допустимые уровни монофакторного действия (для 1-го радионуклида, пути поступления либо 1-го вида наружного облучения), являющиеся производными от главных пределов доз: пределы годового поступления, допустимые среднегодовые большие активности (ДОА), среднегодовые удельные активности (ДУА) и остальные;

     -контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности потоков и др.). Их значения должны учесть достигнутый уровень радиационной сохранности и обеспечивать условия, при которых радиационное воздействие будет ниже допустимого.

     Устанавливаются последующие категории  облучаемых лиц:

     -персонал (группы А и Б);

     -все население, включая лиц из персонала, вне сферы и критерий их производственной деятельности.

     Контроль  за облучением при всех обычных критериях нужно осуществлять методом контгюля за источником, а не за окружающей средой.

     Основные  пределы доз облучения не включают в себя дозы от природного и мед облучения, также дозы вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения инсталлируются особые ограничения.

     Необыкновенную  опасность представляют радиоактивные  вещества, попавшие вовнутрь организма в виде пара, газа, брызг и пыли совместно с воздухом, едой и водой, также через раны, кожные недостатки и даже через здоровую кожу. Вредное действие радиоактивных веществ, попавших в организм, сильно зависит от степени их радиоактивности, скорости их распада и выведения из организма. Ежели радионуклиды, попавшие в организм, однотипны элементам, которые потребляет человек с едой (натрий, хлор, калий, вода и т.п.), то они не задерживаются долгое время в организме и удаляются совместно с продуктами выделения.