Текст книги "Общая и военная гигиена"

Виды ионизирующих излучений

Радиоактивный распад сопровождается излучением – выделением из ядер элементарных частиц и (или) γ-квантов, неизбежно взаимодействующих с атомами и молекулами среды, в которой находятся радионуклиды. Это взаимодействие возможно благодаря некоторому запасу энергии, с которым частицы и кванты вылетают из материнского ядра. Результаты этого взаимодействия различны, однако наиболее важным из них является эффект ионизации.

Важнейший фактор в явлениях взаимодействия излучения со средой – ионизационные потери, которые представляют собой акт ионизации, происходящий в том случае, когда кинетическая энергия облучающей частицы больше энергии связи орбитального электрона с ядром атома облучающейся среды. При этом электрон может быть сорван с оболочки облучаемого атома, и электрически нейтральный атом временно превращается в заряженное образование – ион, несущий положительный заряд. Сорванный электрон, теряя свою кинетическую энергию на ионизацию встречных атомов (вторичная ионизация), замедляется и захватывается каким-либо атомом, превращающимся при этом в отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов.

Помимо ионизационных потерь энергии, в веществе с высоким атомным номером имеют значение так называемые радиационные потери, возникающие при торможении движущейся частицы в электрическом поле встречных атомов. Энергия, затраченная при этом движущейся частицей, высвечивается квантами тормозного рентгеновского излучения. Радиационные (тормозные) потери выражены слабее в среде, состоящей из легких атомов. Воздух и биологические среды содержат тяжелые атомы в ничтожных количествах, и возникающее в этих средах тормозное рентгеновское излучение крайне слабо. Биологического значения оно практически не имеет.

Излучения наряду с ионизацией вызывают возбуждение атомов среды (перевод электронов с ближайшей к ядру оболочки на более удаленную от него). Возбуждение атомов требует меньше энергии, чем ионизация. В связи с этим летящая заряженная частица способна возбуждать атомы, расположенные на большем удалении от ее траектории, чем при ионизации. Поэтому на каждый акт ионизации приходится примерно два – три акта возбуждения.

Ионизированное состояние длится лишь стомиллионные доли секунды, после чего положительный ион, присоединив к себе любой свободный электрон, рекомбинирует, т. е. восстанавливается в нейтральный атом. Рекомбинация сопровождается перегруппировкой орбитальных электронов; при этом энергия излучения, ранее поглощенная атомом при ионизации, превращается в простых веществах в тепловую энергию колебания молекул, но в некоторых веществах высвобождается (высвечивается) в виде квантов γ-излучения, рентгеновского или ультрафиолетового излучения и даже видимого света. В последнем случае возникает явление люминесценции. Таким же путем избыток энергии отдается и возбужденными атомами. В сложных веществах возвращение в невозбужденное состояние может приводить к появлению химически активных радикалов и к другим химическим превращениям, которые, в свою очередь, способны изменить физические свойства облучаемого объекта.

Таким образом, ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом, вызывает в нем различные эффекты: первичные (ионизация, возбуждение, люминесценция) и вторичные (химические и физические изменения). На выявлении перечисленных эффектов основаны средства и методы обнаружения и регистрации ИИ.

Из физических свойств ИИ, оказывающих влияние на их потенциальные возможности ионизировать нейтральные атомы, важными являются энергетические характеристики. Связь величины энергии излучения с возможным неблагоприятным воздействием на организм вполне понятна: чем больше величина энергии, тем больше способность к ионизации при столкновении различных «носителей» ИИ с нейтральными атомами. Поэтому одной из важнейших характеристик ИИ является энергетический спектр, представляющий распределение «носителей» ИИ по энергии.

Различают спектры дискретные и непрерывные. В первом случае величина энергии принимает дискретные (строго конкретные) значения, например 2, 5; 7,5 МэВ. Во втором – возможны произвольные значения из некоторого интервала: 12–23 кэВ, 1–5 МэВ.

Ионизирующее излучение классифицируется по разным признакам. В частности, различают два вида ионизирующего излучения: корпускулярное и фотонное.

Корпускулярное ионизирующее излучение представляет собой поток элементарных частиц, обладающих определенной энергией и массой покоя, отличной от нуля.

Частицы, имеющие электрический заряд (α-частицы, электроны, позитроны, протоны) и кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов среды, относятся к непосредственно ионизирующему излучению. Нейтральные элементарные частицы (нейтроны с разной энергией) из-за отсутствия электрического заряда сами по себе не вызывают ионизацию, однако в процессе взаимодействия их со средой происходит образование заряженных частиц, способных давать эффект ионизации. Поэтому нейтральные частицы относят к косвенно ионизирующим.

Фотонное ионизирующее излучение также является косвенно ионизирующим. Оно представляет собой поток электромагнитных колебаний (квантов) с определенной длиной волны и энергией, распространяющихся прямолинейно и равномерно во все стороны от источника в вакууме с постоянной скоростью, близкой к скорости света. Энергия кванта (фотона) зависит от частоты электромагнитных колебаний.

По условиям образования различают следующие виды фотонного ионизирующего излучения:

– γ-излучение с прерывистым (дискретным) энергетическим спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния ядер в процессе радиоактивного распада, а также при аннигиляции частиц (позитрона и электрона). Испускание γ-квантов происходит в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением. Этот избыток мгновенно высвечивается в виде γ-кванта;

– тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, которое возникает при изменении скорости и кинетической энергии заряженных частиц, связанном с их торможением в электрическом поле ядра атома;

– характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, образующееся при изменении энергетического состояния атома в связи с перестройкой его внутренних электронных оболочек (перестройка внешних электронных оболочек атома сопровождается испусканием видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения, которые, как уже отмечалось, не относятся к ИИ);

– рентгеновское излучение – совокупность тормозного и характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами в диапазоне энергии квантов от 1 кэВ до 1 МэВ.

Плотность потока частиц и энергии – это число частиц или энергия ионизирующего излучения, проходящие через единицу площади в единицу времени.

Ионизирующее излучение, образующееся в процессе ядерных превращений, распространяется в окружающей среде и взаимодействует с ее атомами. Выяснение характера и особенностей этого взаимодействия имеет важное значение для предупреждения или снижения вредного влияния ИИ на организм человека, а также для оценки его последствий.

При взаимодействии со средой ИИ передают ей свою энергию, однако для каждого вида излучений этот процесс и его последствия, в том числе радиобиологические эффекты, имеют выраженную специфику.

Корпускулярное непосредственно ионизирующее излучение (поток положительно или отрицательно заряженных частиц) взаимодействует главным образом с электронами оболочек атомов среды и в очень малой мере – с электрическим полем ядер атомов. В процессе взаимодействия энергия частиц излучения постепенно расходуется в основном на ионизацию и возбуждение атомов среды и, в конечном счете, полностью передается среде. После этого частица завершает пробег и прекращает свое существование.

Повреждающее действие этого излучения на биологическую ткань находится в прямой зависимости от удельной ионизации – числа пар ионов, образующихся на единице пути пробега частицы. Этот показатель связан с линейной передачей энергии (ЛПЭ) – величиной энергии, теряемой заряженной частицей на единицу длины пробега. Длина пробега частицы зависит от ее энергии, массы и величины заряда, а также от характера облучаемой среды. С энергией частицы пробег связан прямой зависимостью, с массой и величиной заряда – обратной. Что касается характера облучаемой среды, то пробег заряженных частиц в среде будет тем меньше, чем больше в ней концентрация электронов. Более высокой концентрацией электронов обладают атомы тяжелых элементов, и это обстоятельство учитывается при выборе материалов для защиты от непосредственно ионизирующего (корпускулярного) излучения.

Линейная и объемная плотности ионизации (число пар ионов, возникающих на единицу пути пробега или в данном объеме вещества), производимой α-частицами, очень велики. Чем выше энергия частицы, т. е. чем быстрее ее полет, тем меньше вызываемая ею плотность ионизации. Но по мере растрачивания энергии пробег α-частицы в веществе замедляется и к концу пробега удельная плотность производимой ею ионизации возрастает в 3–4 раза, а затем падает до нуля.

Обладая относительно большой массой и зарядом, α-частицы имеют незначительную проникающую способность. Вследствие этого они могут быть полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины хирургических перчаток и эпидермисом кожи. Однако при попадании α-излучающих нуклидов внутрь организма степень их опасности резко возрастает.

Бета-излучение возникает при радиоактивном распаде ядер или нестабильных частиц, или при взаимодействии фотонов с веществом. Скорость полета β-частиц по сравнению с α-частицами значительно выше и может достигать величин, соизмеримых со скоростью света. Благодаря такой скорости и меньшему заряду проникающая способность β-частиц примерно на два порядка больше, а линейная плотность ионизации примерно в 800 раз меньше.

Определение толщины слоя различных экранов, полностью поглощающих β-частицы различных энергий, имеет решающее значение для расчета защиты. Толщину слоя поглощения обычно выражают в единицах поверхностной плотности, т. е. в граммах на квадратный сантиметр (г/см²), другими словами, указывают число граммов, находящихся в столбике данного вещества с основанием в 1 см² и с высотой, равной пробегу. Глубина проникновения 1 г/см² равносильна 1 см пробега в воде.

При расчетах широко используется такая характеристика, как слой половинного ослабления потока β-частиц (D_1/2), представляющий собой такую толщину поглотителя, которая ослабляет интенсивность пучка β-частиц данной энергии в 2 раза. Выражают эту величину в мг/см².

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение β-частиц, соответствует максимальной длине пробега β-частиц с энергией, равной граничной энергии данного β-спектра.

Бета-частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой обуви, но могут вызывать поражение кожных покровов, роговицы и т. п. Поэтому даже при работе с мягкими β-излучателями руки должны быть защищены перчатками, а от жестких β-частиц (с энергией 1,5 МэВ и выше) следует защищаться экранами из органического стекла.

Корпускулярное косвенно ионизирующее излучение (поток нейтронов) взаимодействует ввиду отсутствия заряда только с ядрами облучаемой среды при непосредственном контакте с ними. Результатом взаимодействия, сопровождающегося передачей энергии среде и ослаблением нейтронного потока, является образование непосредственно и косвенно ионизирующего излучения с уменьшенными по сравнению с исходными величинами энергии. Полного поглощения нейтронов (в отличие от заряженных частиц) в среде не происходит, нейтронный поток ослабляется по экспоненциальному закону.

Основными типами взаимодействия нейтронов с облучаемой средой являются упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват и реакции деления ядер.

Упругое рассеяние заключается в том, что нейтрон, обладающий определенным запасом энергии, при столкновении с ядром атома передает ему часть энергии, а сам изменяет направление своего движения. Суммарная энергия нейтрона и ядра до и после взаимодействия не изменяется, причем чем больше масса неподвижного ядра по сравнению с массой движущегося нейтрона, тем меньшая доля энергии будет ему передана при столкновении. При равных массах сталкивающихся объектов (например, с ядром водорода) движущееся тело (в данном случае нейтрон) будет терять в среднем половину своей энергии. Ядро атома, получившее дополнительную энергию («ядро отдачи»), покидает свои электронные оболочки и, обладая положительным зарядом, производит ионизацию. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона последовательно уменьшается и достигает значения, соответствующего энергии теплового движения атомов и молекул среды. В связи с этим такие нейтроны называются тепловыми. В последующем происходит реакция радиационного захвата – поглощение теплового нейтрона ядром одного из атомов среды с выделением избытка энергии в виде γ-излучения и образованием изотопа исходного нуклида, как правило радиоактивного.

Неупругое рассеяние происходит путем поглощения нейтрона ядром, но с последующей ядерной реакцией того или иного типа с выделением γ-частицы или протона и образованием ядра нового нуклида. После поглощения нейтрона ядром возможна также реакция с выделением нейтрона меньшей энергии, γ-излучения и образованием ядра исходного нуклида.

Для нейтронов с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ доминирующим является упругое рассеяние, эффективность которого в отношении потери энергии нейтронами находится в обратной зависимости от массы ядер атомов облучаемой среды. В связи с этим в качестве замедлителей быстрых нейтронов используют материалы, содержащие преимущественно легкие элементы (водород, бор, углерод и др.). Чаще всего в качестве таких материалов применяют воду, пластмассы, парафин.

Для нейтронов с энергией 0,5 эВ – 200 кэВ наиболее характерно неупругое рассеяние, происходящее, как правило, на ядрах атомов элементов середины и конца Периодической системы Д. И. Менделеева.

Тепловые нейтроны с энергией до 0,5 эВ подвергаются главным образом радиационному захвату, причем ядра атомов ряда химических элементов отличаются избирательно высокой способностью поглощать тепловые нейтроны (бор, бериллий, кадмий, европий и некоторые другие), что используется в построении биологической защиты и системах управления ядерным реактором.

Фотонное ионизирующее излучение (γ-излучение и рентгеновское), проходя через среду, взаимодействует преимущественно с электронными оболочками. В незначительной мере имеет место также взаимодействие с электрическим полем и нуклонами ядер. В результате этих процессов энергия фотонного излучения убывает по экспоненциальному закону, преобразуясь в кинетическую энергию электронов, которые и производят ионизацию в облучаемой среде.

В зависимости от атомного номера облучаемого вещества и от величины энергии γ-квантов их взаимодействие с атомами вещества происходит по-разному. Мягкое γ-излучение с энергией до 0,05 МэВ преимущественно вызывает фотоэффект, излучение с энергией от 0,05 до 1 МэВ – комптоновский эффект, а жесткое (более 1,02 МэВ) – образование пар электрон – позитрон.

Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение) заключается в полном поглощении энергии γ-кванта каким-либо орбитальным электроном (чаще всего электроном К-слоя). Часть энергии кванта при этом затрачивается на преодоление энергии связи электрона с ядром, а остаток ее сообщается выбиваемому электрону («электрон отдачи»), который покидает оболочку атома и на своем пути ионизирует атомы и молекулы вещества.

Комптоновский эффект (комптоновское или некогеррентное рассеяние) возникает тогда, когда γ-квант выбивает с внешней оболочки атома орбитальный электрон, передавая ему часть своей энергии, а сам продолжает движение в несколько ином направлении (рассеивается под некоторым углом). После нескольких актов комптоновского рассеяния при уменьшении энергии кванта до 0,05 МэВ происходит его фотоэлектрическое поглощение. Выбитые с орбит электроны производят вторичную ионизацию других атомов.

Образование пар (электрон-позитронных) происходит при пролете γ-кванта вблизи ядра атома. Под воздействием электрического поля ядра он превращается в пару частиц: электрон и позитрон. Последний, встретившись с любым свободным или орбитальным электроном, немедленно с ним аннигилирует, «уничтожается» с образованием двух γ-квантов меньших энергий, которые в дальнейшем претерпевают комптоновское превращение или фотоэлектрическое поглощение.

Вероятность попадания γ-кванта в орбитальный электрон атома поглотителя невелика и, следовательно, плотность первичной и вторичной ионизации, вызываемой γ-квантами, очень мала. По сравнению с плотностью ионизации, производимой β-частицами, она меньше примерно на два порядка, а α-частицами – на четыре порядка. Поскольку уменьшение энергии γ-излучения в веществе на единицу пути относительно невелико, то оно обладает сильной проникающей способностью.

Ослабление γ-излучения тем сильнее, чем меньше энергия квантов и больше объем, плотность и порядковый номер поглотителя и, следовательно, количество орбитальных электронов. Поэтому при выборе материалов для защиты учитывают, что ослабление γ-излучения наиболее эффективно происходит в веществах, содержащих тяжелые элементы, поскольку они имеют большое количество электронов на оболочках. Эффективность различных защитных материалов оценивают через слой половинного ослабления γ-излучения, который для γ-квантов с энергией 2,5 МэВ в воздухе составляет 200 м, в свинце – 1,8 см, в бетоне – 10 см, а в дереве – 25 см.

Общим свойством ИИ, независимо от вида, является их способность при взаимодействии со средой передавать ей свою энергию. Именно это обстоятельство легло в основу установления количественной связи между уровнем воздействия и возникающими под влиянием ИИ эффектами в среде, прежде всего в биологической ткани.

Уровень воздействия любого излучения на среду характеризуется дозой. Понятие

0 дозе излучения является «краеугольным камнем» радиобиологических основ нормирования облучения людей и разработки мероприятий по радиационной безопасности. Главный физический эффект в облучаемой среде – ионизация и возбуждение атомов и молекул – сопровождается в живых организмах теми или иными радиобиологическими эффектами. Различают экспозиционную, поглощенную, эквивалентную, эффективную дозы и ряд других.

Экспозиционная доза (Х) характеризует ионизационную способность только фотонного излучения при его взаимодействии исключительно с воздухом и определяется суммарным зарядом ионов одного знака, возникающих в единице массы воздуха при полном торможении всех вторичных электронов, образованных фотонным излучением. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на 1 кг воздуха (Кл/кг). В качестве специальной единицы до настоящего времени широко используется рентген (Р) – экспозиционная доза, при которой в 1 см³ воздуха под влиянием фотонного излучения образуются ионы, суммарный заряд которых (для одного знака) равен 1 электростатической единице электричества. Соотношение между рентгеном и Кл/кг:

1 P = 2,58 · 10^–4 Кл/кг.

Для характеристики уровня воздействия любого вида ИИ на любое вещество применяется поглощенная доза (D), которая измеряется отношением энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к единице массы вещества. Единица поглощенной дозы – 1 джоуль на 1 кг (Дж/кг), или специальная единица – грей (Гр). Кроме того, используется внесистемная единица поглощенной дозы – рад (от английской аббревиатуры RAD – Radiation Absorbed Dose). При дозе 1 рад величина энергии, переданной излучением 1 г вещества, составляет 100 эрг. Следовательно, 1 рад соответствует 1,13 Р, а 1 Гр = 100 рад.

Поглощенная доза характеризует как само излучение, так и его воздействие на облучаемое вещество, поэтому ее всегда следует относить к конкретной среде: воздуху, воде, биологической ткани и т. д.

В радиобиологических исследованиях было установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологические эффекты неодинаковы для разных видов ИИ, поскольку они отличаются величиной ЛПЭ и плотностью ионизации. В связи с этим для оценки опасности различных видов излучения по их ЛПЭ было введено понятие коэффициента качества (k), отражающего относительную биологическую эффективность (ОБЭ) излучения. Относительная биологическая эффективность – это отношение поглощенной дозы эталонного излучения к поглощенной дозе данного излучения, вызывающего тот же биологический эффект. В качестве эталонного принято рентгеновское излучение с энергией 180–200 кэВ, при котором линейная плотность ионизации за счет вторичных электронов минимальна по сравнению с другими видами излучения и составляет около 100 пар ионов на 1 мкм в воде. Условно коэффициент качества такого излучения принят за единицу, а для излучения с большими значениями линейной плотности ионизации и ЛПЭ установлены соответствующие усредненные значения коэффициента качества, что особенно важно для контроля радиационной безопасности при хроническом облучении.

Коэффициент качества, рекомендованный Международной комиссией по радиологической защите (МКРЗ) в 1959 г., показывает, во сколько раз данный вид излучения оказывает более сильное биологическое действие, чем рентгеновское и γ-излучение при одинаковой поглощенной энергии в единице массы вещества. В настоящее время коэффициент качества получил название взвешивающих коэффициентов для отдельных видов излучения (W_R).

ОБЭ зависит от вида излучения, ритма облучения, индивидуальной чувствительности организма, распределения поглощенной энергии по облучаемому объему и других трудно учитываемых физических и радиобиологических параметров и конкретных условий облучения. Поэтому ОБЭ не является физической характеристикой излучения, а используется только в радиобиологии. Однако в области малых доз биологический эффект определяется, главным образом, только суммарной поглощенной энергией излучения и его коэффициентом качества. Поэтому для оценки радиационных последствий хронического облучения излучением произвольного состава применительно к живой ткани введена эквивалентная доза (Н), которая определяется как произведение поглощенной дозы данного вида излучения в определенной ткани на взвешивающий коэффициент этого излучения:

Н = D · W_R.

Единица эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт (Зв), внесистемная единица – бэр (биологический эквивалент рентгена), их соотношение: 1 Зв = 100 бэр.

Эквивалентная доза используется для целей радиационной безопасности и только при ее значениях до 0,25 Зв (25 бэр). Она представляет собой меру биологического действия любого вида излучения (или их суммы) на данного конкретного человека.

Однако понятие эквивалентной дозы не является исчерпывающим для оценки риска отдаленных последствий облучения. В этом плане разные части тела (органы, ткани) существенно отличаются с точки зрения радиочувствительности. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения взрослого человека возникновение рака в легких будет более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому для учета и сравнения риска отдаленных стохастических (вероятностных) последствий облучения введена эффективная эквивалентная доза, или просто эффективная доза (ЭД), которая представляет собой произведение дозы эквивалентной на взвешивающий коэффициент для тканей и органов (иногда называемый «весовым коэффициентом излучения»):

Н_эф = Н · W_T.

Она также измеряется в зивертах или бэрах.

Ожидаемая эквивалентная (или эффективная) доза – это эквивалентная (или эффективная) доза, которая может быть получена за определенное время в результате внутреннего облучения. Если время не установлено, то его принимают равным 50 годам для взрослых и 70 годам для детей. Определяется как временной интеграл мощности эквивалентной (или эффективной) дозы.

При профессиональном облучении или для оценки последствий облучения населения в результате развития ядерных технологий, аварийных или иных ситуаций применительно к большим контингентам людей возникает необходимость определения общего риска для популяции в целом. С этой целью используется коллективная эффективная доза (КЭД). Для ее расчета в оцениваемой выборке определяют группы лиц с одинаковыми эффективными дозами и умножают численность группы на величину дозы. КЭД для всего контингента представляет собой сумму полученных произведений и измеряется в чел. – Зв (чел. – бэр).

Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и загрязненные ими материалы останутся радиоактивными и в отдаленном будущем, КЭД, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за время его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной дозой.

Приращение дозы за единицу времени называют мощностью дозы. Соответственно различают мощность экспозиционной (Р/с, Р/ч, А/кг), поглощенной (рад/с, рад/ч, Гр/с, Гр/ч) и эквивалентной (бэр/с, Зв/с, бэр/ч, Зв/ч) доз. В практике широко используют дольные (тысячную и миллионную доли) единицы экспозиционной (мР, мкР), поглощенной (мрад, мкрад, мГр, мкГр), эквивалентной (мбэр, мкбэр, мЗв, мкЗв) доз и мощностей этих доз (мбэр/ч, мЗв/с и т. д.).