Размеры и скорости осаждения аэрозольных частиц

r, см	10-6	10-5	10-4	10-3	10-2	10-1
v,см/c	10-6	8,6∙10-3	3,5∙10-3	0,3	25	410

Для частиц с размерами r < 10^-4÷10^-5 см преобладает эффект диффузии, изменяющий пространственную концентрацию аэрозольных частиц; зависимость смещения частиц по координате х от времени оценивается соотношением

, где - коэффициент диффузии.

( , n – концентрация частиц).

В процессе сталкновения частиц имеет место эффект коагуляции (прилипания), в результате чего увеличивается масса отдельных частиц и уменьшается их концентрация. Уравнение этого процесса (ср. с эффектом рекомбинации ионов, бинарные столкновения):

и соответствующее решение ,

где величина - постоянная коагуляции, - начальная концентрация частиц. Постоянная коагуляции определяется соотношением:

где

- длина свободного пробега частиц в воздухе.

Существует условная классификация аэрозолей по размерам частиц:

1. высокодисперсные – r < 10^-3 – 0,1 мкм (преобладают эффекты коагуляции и диффузии, устойчивые аэрозоли);

2. среднедисперсные – r < 0,1÷1 мкм (переходные свойства);

3. грубодисперсные – r > 1 мкм (преобладает седиментация).

Таблица. 3

Некоторые источники образования аэрозолей

Источник	состав	r, x10-4 см
Добыча урана	радон, UO2, U3O8, UO3	0,5 ÷ 0,001
Ядерные реакторы	UO2, Na2O, K2O, 239Pu	0,1 ÷ 10

Поступление радиоактивных веществ в организм человека

Дозиметрия инкорпорированных нуклидов стала развиваться в связи с заметным изменением радиационной обстановки после начала широкого практического использования ядерной энергии и вовлечения широкого контингента людей в эту деятельность.

Организм человека находится в состоянии постоянного обмена веществами и энергией с окружающей внешней средой. Практически во всех веществах внешней среды содержатся радиоактивные изотопы естественного или искусственного происхождения. Различными путями они попадают в организм человека. В сложных обменных процессах в организме РВ претерпевают физико–химические и биохимические изменения до тех пор, пока они не распадутся или не будут выведены из организма. Радиоактивные нуклиды неравномерно распределяются в различных органах и тканях человека. Большинство нуклидов накапливаются избирательно в отдельных органах или системах. Степень радиационно-индуцированных эффектов (поражений) зависит от концентрации излучающих нуклидов в отдельных органах и, следовательно, от создаваемых ими величин доз.

Закономерности поступления и накопления нуклидов в живых организмах изучаются в радиобиологии. Эта задача чрезвычайно сложна, и соответствующие данные получаются в основном на животных и затем экстраполируются на человека.

Существуют следующие основные пути поступления РВ в организм: посредством органов дыхания (ингаляционный канал), через желудочно–кишечный тракт (пероральный канал) и через кожные покровы; (специальные методы введения радиоактивных изотопов используются в медицине с целью диагностики и терапии некоторых заболеваний). В течение некоторого времени эти т.н. входные «депо» содержат в себе эти поступившие радионуклиды; далее из входного депо они кровотоком распространяются по всему организму, т.е. по различным органам и тканям. Дальнейшая судьба этих радионуклидов определяется как их свойствами, так и процессами, происходящими в организме. Нуклиды частично распадаются, частично выводятся из организма в результате обменных процессов. Нуклиды инициируют соответствующий вид внутреннего облучения, и поглощенная доза при этом выступает в качестве меры радиационной опасности, т.е. биологических последствий.

Для каждого канала поступления нуклидов имеют место свои особенности, зависящие от химической формы нуклида, его растворимости в жидкой среде, от состояния организма (недостаток тех или иных веществ, напр., ).

Источниками радиоактивных нуклидов являются любые радиоактивные вещества естественного или искусственного происхождения, которые находятся во внешней среде в твердой, жидкой, газообразной или аэрозольной форме (аэрозоль – дисперсная система с газообразной средой и с твердой, жидкой или смешанной дисперсной фазой; радиоактивный аэрозоль - аэрозоль, в дисперсную фазу которого входят радионуклиды).

а) поступление через органы дыхания (ингаляционный канал)

Наиболее важным и потенциально опасным каналом поступления РВ в организм человека являются органы дыхания (ингаляционный путь). Воздух потребляется в больших количествах, ~ 2∙10⁴ литров в сутки. Легкие – хорошо адсорбирующая система с эффективной площадью ~ 50 м².

Радиоактивность воздух обусловлена содержанием в радиоактивных газов или радиоактивных аэрозолей. Поверхность легких имеет большую поверхность (типа губки) ~ 50 м² и представляет собой абсорбционный фильтр с большой эффективностью улавливания РВ. При каждом вдохе дыхательных путях может оставаться значительная доля активности РВ («выдыхаемый воздух чище вдыхаемого»). Доля активности, задержанной в дыхательной системе, зависит от размеров аэрозольных частиц и от объёма и частоты дыхания. Каждый из трех физических эффектов: инерционное осаждение, седиментация и диффузия может преобладать в определенном участке дыхательных путей; вероятность реализации этих процессов зависит в основном от размеров осаждаемых частиц.

При ингаляции тип химического соединения есть характеристика дисперсной фазы радиоактивного аэрозоля в классификации по скорости перехода радионуклида из легких в кровь, установленной в дозиметрической модели органов дыхания/

Рис. Каналы распределения РВ в органах дыхания

Инерционное осаждение реализуется преимущественно в верхних дыхательных путях, где скорость вдыхаемого воздуха велика (десятки см/сек). При изменении направления движения частиц с размером >1 мкм продолжают движение по инерции и оседают на слизистых оболочках; таким образом, в верхних дыхательных путях отфильтровываются крупные частицы с размером >1 мкм . В тех участках дыхательной системы, где скорость воздуха относительно мала, преобладает эффект седиментации. В объёме легочных альвеол, где скорость переносимого воздуха очень мала, осаждение осуществляется за счет броуновского движения и диффузии. Главный фактор протекания всех этих процессов – размеры частиц. Для количественной оценки характеристик процесса отложения частиц в дыхательных путях используются т.н. коэффициенты отложения или задержки, которые являются отношением числа частиц, отложившихся в легких, к полному числу вдыхаемых частиц. Данные о степени дисперсионности частиц позволяют определить место их отложения и вычислить активности в различных участках дыхательных путей.

Величина степени осаждения является сложной функцией различных факторов:

а) концентрацией аэрозолей;

б) их физико – химическим состоянием;

в) частотой и глубиной дыхания;

г) размером частиц.

На рис. тт представлена зависимость степени отложения вдыхаемых нуклидов от размеров частиц. Легкие являются критическим органом и радиационная опасность определяется поглощенной дозой (факторы этой величины – скорость биологического выведения, вид и энергия облучающих частиц, характер распределения осажденных частиц).

Рис.11. Зависимость коэффициента отложения в органах дыхания аэрозольных частиц в зависимости от их размеров

При поступлении ингаляционным путем РВ с большим периодом полураспада они частично поглощаются в самой легочной ткани, частично заглатываются и переходят в ЖКТ, откуда могут попасть в кровеносную систему. Часть нуклидов далее участвуют в нормальном обмене веществ и задерживаются в определенных системах организма или выводятся из него. Таким образом, облучению подвергаются не только органы дыхания, но и другие органы и ткани в соответствии с распределением веществ в организме.

Необходима информация о распределении объёмной активности во времени и в пространстве.

Непостоянство в скорости дыхания и коэффициентов задержки дочерних продуктов распада радона в легких.

б) желудочно – кишечный тракт (ЖКТ, пероральный канал)

Вещества продуктов питания могут содержать фоновую активность различных РВ, а так же могут быть загрязнены искусственными РВ, которые по биологическим цепочкам попадают в пищу. В пищеварительном тракте после соответствующих процессов они превращаются в химические соединения, используемые организмом. На основании физико - химических эффектов (диффузия, фильтрация, осмос) процесс всасывания описать трудно. Идут сложные биохимические превращения, когда, напр., растворимость в специфической среде вводимых веществ не определяется их растворимостью в воде.

Во время нахождения РВ в ЖКТ происходит облучение стенок пищеварительного тракта частицами, испускаемых радиоактивными изотопами.

в) поступление РВ через кожные покровы

В первом приближении поступление РВ через кожу существенно не отличается от других путей поступления. Относительно кожи термин «поглощение» определяет способность кожи впитывать в себя и удерживать вещества, находящиеся на её поверхности. Различают поврежденную и неповрежденную кожу, что обусловливает существенное различие в коэффициентах всасывания РВ. Большую роль относительно поглощенных энергии в коже играет обладающий высокой радиочувствительностью слой эпидермиса (на глубине ~ 7мг/см²), нарушение функций которого приводит к негативным изменениям процессов регенерации кожных покровов.

РВ, поступающие в организм через кожу, создают опасность облучения как самой кожи, так и тех внутренних органов, в которые они будут доставлены кровотоком.