К.А.Дергобузов

Дозиметрия ионизирующих излучений

Конспект лекции с компьютерной моделью

Наши задачи: познакомить с естественными и искусственными источниками излучений, единицами измерения, величинами опасных и безопасных доз радиации.

Содержание

Человечество всегда жило вместе с радиацией. Но только в двадцатом веке возник вопрос о действии излучений на человека и окружающую среду. Возник, т.к. появились искусственные источники радиации.

В 1896 году французский физик А.Беккерель открыл явление радиоактивности: он обнаружил, что соль урана испускает какое-то излучение.

снимок Рентгена
Рис.2 1896 г.
траектории лучей в магнитном поле
Рис.1 3 типа излучения

Изучение поведения открытых Беккерелем лучей при прохождении ими магнитного поля показало, что они состоят из трех компонент (рис.1). Поскольку ничего не было известно о природе этих лучей, их назвали просто первыми буквами греческого алфавита: α-, β- и γ- излучениями. Впоследствии выяснилось, что α- частицы - это ядра гелия (заряжены положительно), β- частицы - это электроны (отрицательные и на рисунке отклоняются в другую сторону), γ- лучи - электромагнитное излучение (нейтральное, магнитным полем не отклоняется).

Годом ранее Рентген открыл излучение, которое он назвал "Х-лучами" (первый снимок руки в этих лучах на рис.2). Оно оказалось тоже электромагнитным. Беккерель один из первых столкнулся с самым неприятным свойством радиоактивного излучения - его воздействием на ткани живого организма (он получил ожог кожи от пробирки с радием, которую носил некоторое время в кармане). Возникла необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности.

Под ионизирующим излучением понимают любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Процессы взаимодействия излучений с веществом рассмотрены в лекции.

Единицы измерения количества излучения

Величину, используемую для оценки степени воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, живые организмы и их ткани, называют дозой излучения. Первоначально считалось достаточным для оценки воздействия знать количество излучения, падающего на облучаемый объект. Это, так называемая, экспозиционная доза. Единицу экспозиционной дозы назвали Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества (система единиц CGSE). Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08·109 пар ионов (2.08·109 = 1/(4.8·10-10)).

Позднее стало ясно, что радиационный эффект определяется энергией, поглощенной в тканях, облучаемом образце. Основной дозиметрической величиной является поглощенная доза D - количество энергии, поглощенной единицей массы вещества. В системе СИ измеряется поглощенная доза D в Грэях (Гр, Gy): 1 Гр = 1 Дж/кг. Часто пользуются и внесистемной единицей рад (1 рад = 10-2 Гр).

Но по величине поглощенной дозы еще нельзя предсказать последствия облучения. При одинаковой поглощенной дозе α - излучение гораздо опаснее β - или γ - излучений. Тяжелые заряженные частицы чрезвычайно сильно ионизируют среду вдоль своего следа, производя серьезные радиационные нарушения. Кроме того, вследствие большой массы α-частицы, например, с большей вероятностью сдвигают атомы кристалла в междоузлия, изменяя тем самым свойства кристалла. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Этот коэффициент называют коэффициентом качества излучения. Чем коэффициент больше, тем опаснее данное излучение. Он показывает, во сколько раз больше радиационная опасность воздействия на живой организм данного излучения по сравнению с γ-излучением при одинаковых поглощенных дозах. Скорее это "коэффициент качества вреда". Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой H; ее измеряют в Зивертах (Зв). Распространена и внесистемная единица эквивалентной дозы - биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр = 0.01 Зв. Значения коэффициентов качества для ряда излучений приведены в таблице.

Коэффициент качества излучения
Виды излученийКоэффициенты качества
γ - излучение1.0
β - излучение и электроны1.0
тепловые нейтроны3.0
быстрые нейтроны10
α - излучение20
протоны, 2…10 МэВ2
тяжелые ядра20

Мощность дозы - оценка воздействия радиации за единицу времени. Мощность поглощенной дозы измеряется в Гр/час, мощность эквивалентной в Зв/час. Учитывая, что 1 Зиверт это значительная доза радиации, для удобства применяют кратную ей величину микроЗиверт и, соответственно, мощность в мкЗв/час. В России, с момента аварии в Чернобыле, большее распространение получила внесистемная единица измерения мкР/час, отражающая экспозиционная дозу, которая характеризует меру ионизации вещества и поглощенную им дозу.

Естественные и искусственные источники излучений

Как уже говорилось, человечество всегда жило вместе с радиацией. Естественный фон создают космическое излучение, излучение от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать тело снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышим, в пище или воде и попасть внутрь организма. Такое облучение называю внутренним. Например, в теле человека есть калий, 0.0119% его составляет радиоактивный изотоп 40K. Так что мы сами себя облучаем.

Все жители Земли подвергаются облучению, но в некоторых местах планеты оно в разы больше среднего. Такие места есть в Бразилии, Индии из-за обилия радиоактивных пород.

Космическое излучение. Это в основном излучение от Солнца (солнечная радиация), которое состоит на 99% из протонов (протонное излучение) и на 1 % из ядер атомов гелия (альфа излучение). Но благодаря магнитному полю Земли и атмосфере до поверхности Земли вместо космического излучения, состоящего из крайне опасных протонного и альфа излучений, доходят потоки менее опасных и обладающими на порядки меньшими энергиями - это потоки электронов, фотонов и мюонов. В итоге имеем эквивалентную дозу радиации получаемой человеком от космического излучения в количестве 0.4 мЗв/год или 0.046 мкЗв/час.

Излучение от радиоактивных природных изотопов.

  • Калий 40K (β- и γ- излучение). Усваивается вместе с продуктами питания и питьевой водой. Содержится в нашем организме. Годовая доза - примерно 0.17 мЗв/год.
  • Углерод 11C. Усваивается вместе с продуктами питания. Содержится в нашем организме. Годовая доза около 0.012 мЗв/год.
  • Радон 222Rn и 220Rn (α излучение) и их продукты радиоактивного распада. Содержатся в газах, поднимающихся из недр земли. Может содержаться в водопроводной воде, если она берется из источников, расположенных глубоко под землей (артезианские источники). Бо́льшую часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом непроветриваемом помещении. Годовая доза 1.8 мЗв/год.
  • Использование ископаемых видов топлива. Уголь содержит незначительное количество природных радионуклидов, которые после его сжигания концентрируется в зольной пыли и поступает в окружающую среду с выбросами, несмотря на совершенствование систем отчистки.
  • Использование фосфатов. Добыча фосфатов, которые используются главным образом для производства удобрений, ведется во многих местах. Большинство разрабатываемых в настоящее время месторождений содержит уран. В процессе добычи и переработки выделяется радон, да и сами удобрения содержат радионуклиды, проникающие в почву и далее в биологические цепочки.

Радиация от источников, созданных человеком. К основным техногенным радиоактивным источникам относят следствие испытаний ядерного оружия, промышленные отходы, атомные электростанции (АЭС), медицинское оборудование, предметы старины, вывезенные из "запретных" зон после аварии Чернобыльской АЭС... В настоящее время основной вклад в дозу от источников, созданных человеком, вносит внешнее радиоактивное облучение при диагностике и лечении. В развитых странах на каждую тысячу населения приходятся от 300 до 900 таких обследований в год, не считая массовой флюорографии и рентгенологических обследований зубов. Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет около 1 мЗв/год на каждого жителя, т.е. примерно половину средней дозы от естественных источников.

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного
радиационного фона и различных искусственных источников излучения.
Источник излучения. Доза, мЗв/год
Природный радиационный фон 0.20
Стройматериалы 0.140
Атомная энергетика 0.002
Медицинские исследования 0.140
Ядерные испытания 0.0025
Полеты в самолетах 0.005
Бытовые предметы 0.04
Телевизоры и мониторы ЭВМ 0.001
Общая доза 0.5

Эти же данные в виде диаграммы. Заметим, атомные электростанции дают незначительный вклад в суммарную дозу облучения человечества.

снимок Рентгена
Рис.3 Источники радиоактивного облучения среднестатистического россиянина за год

Безопасные дозы радиации

Безопасными эти дозы являются в том смысле, что в настоящее время медики не могут обнаружить последствий облучения, ни немедленных, ни отдаленных. Значения с развитием медицины понижаются.

Заряженные частицы, которые образуются в результате облучения, передают энергию атомным электронам. Атом возбуждается или ионизуется. Например, C → C* или C → C+ + e-. Происходит это чрезвычайно быстро, за время меньшее 10-12 с. Но живая ткань состоит не из отдельных атомов, а из молекул различной величины. Возьмем в качестве примера молекулы воды (70-90% живой материи). Ионизация H2O → H2O+ + e-. Электрон скорей всего будет захвачен молекулой воды с образованием отрицательного иона e- + H2O → H2O-. Ионизированные молекулы H2O+ и H2O- неустойчивы и диссоциируют

Точкой над символом элемента отмечены свободные радикалы - нейтральные атом H или молекула OH, имеющие неспаренный электрон (в стабильных атомах и молекулах электроны объединены в пару с противоположно направленными спинами). Свободные радикалы активны и вступают далее в реакции. Например, могут вырвать атом водорода из органической молекулы

Получается - энергия первичной частицы передана воде, а повреждена органическая молекула. Конечно, она может быть повреждена и непосредственно, но это маловероятно. (Если бы нам угрожало только прямое повреждение жизненно важных молекул, допустимая радиационная нагрузка была бы в десятки раз больше).

Проследим цепочку повреждений дальше.

УровеньРадиационные эффекты
МолекулярныйПовреждение макромолекул - ферментов, РНК, ДНК
ВнутриклеточныйПовреждение мембран, ядер, хромосом и т.д.
КлеточныйПодавление деления клеток, гибель клеток, значительные изменения (появление свойства неконтролируемого деления)
Ткани, органыНарушения в центральной нервной системе, костном мозгу, кишечном тракте
Целый организмРадиационное сокращение жизни, гибель

Какие ткани повреждаются в наибольшей степени? Установлено, что наибольшей чувствительностью к излучению обладают ткани, клетки которых активно делятся: костный мозг, эпителий кишечника... Главное в радиационном эффекте не повреждение клетки, а потеря ее способности к делению.

Поэтому влияние облучения носит неравномерный характер, облучение одной и той же дозой дает разный эффект для разных тканей. Ниже в таблице приведены весовые коэффициенты для разных органов и тканей.

Значения тканевых весовых множителей wt   для различных органов и тканей.

Ткань или орган wt Ткань или орган wt
Половые железы 0.20 Печень 0.05
Красный костный мозг 0.12 Пищевод 0.05
Толстый кишечник 0.12 Щитовидная железа 0.05
Легкие 0.12 Кожа 0.01
Желудок 0.12 Поверхность костей 0.01
Мочевой пузырь 0.05 Остальные органы 0.05
Молочные железы 0.05    

Сумма коэффициентов равна единице.

И, наконец, приведем последствия облучения человека большими дозами.

Клинические формы, тяжесть и исходы болезни при внешнем относительно равномерном облучении человека

Доза облучения, ГрКлиническая формаТяжесть поражения
0.25  В организме не выявляют клинических проявлений облучения
0.5 Регистрируют незначительные изменения цитологического состава крови и другие, скоро проходящие нарушения
0.5 - 0.75Лучевая реакция на облучениеНезначительное снижение числа лимфоцитов, лейкоцитов, тромбоцитов. Могут регистрировать незначительные нарушения иммунитета и др.
1 - 2 костномозговая форма острой лучевой болезни (ОЛБ) ОЛБ легкой степени (I)
2 - 4 костномозговая форма ОЛБ ОЛБ средней степени (II)
4 - 6 костномозговая форма ОЛБ ОЛБ тяжелой степени (III)
6 - 10 костномозговая форма ОЛБ ОЛБ крайне тяжелой степени(IV)
10 - 20 кишечная форма ОЛБ Летальный исход на 8–16 сутки
20 - 60 токсемическая форма ОЛБ Летальный исход на 4–7 сутки
> 60 церебральная форма ОЛБ Летальный исход на 1–3 сутки

Подведем итог: Безопасной дозой облучения для населения считается 5 мЗв/год (0.57 мкЗв/час). Для сотрудников, работающих на установках с излучением и находящихся под постоянным медицинским контролем, в 10 раз больше.

В своей работе мы использовали материалы докладов научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР).



Компьютерная модель познакомит Вас с естественными и искусственными источниками излучений. В зависимости от условий проживания и рода деятельности Вы сможете оценить свою индивидуальную дозу и решить, опасно ли это.

Если возникли какие вопросы, пишите.


Контрольные вопросы

  1. Как объяснить, что при одинаковых поглощенных дозах облучение электронами и альфа-частицами приводит к разным радиационным нарушениям? В каком случае они больше?

  2. В каком диапазоне лежит величина допустимой мощности эквивалентной дозы для населения (Зв/год)?

  3. Какие детекторы пригодны для поиска радиоактивного заражения местности?

  4. Что является источником излучения, от которого мы получаем наибольшую дозу?

  5. Каков радиационный фон в Челябинске?