21. Вредные излучения и защита от них (ионизирующие, электромагнитные, световые).

13 Средства защиты человека от ионизации

Великий переворот в жизни человечества, связанный с внедрением

ядерной энергии, открыл невиданные ранее возможности в решении многих

проблем социального и экономического характера. В наши дни сфера

применения радиоактивных веществ и источников ионизирующих излучений

весьма многогранна. Это – осуществление неразрушающего контроля

структуры сплавов, качества изделий, изменение физических и химических

свойств различного рода материалов, стерилизация перевязочных материалов

и медицинских изделий, исследования функционального состояния

различных систем организма, лечение злокачественных новообразований и

т.д.

Радиоактивные вещества и источники ионизирующих излучений

находят широкое применение в различных областях народного хозяйства:

ядерной энергетике, металлургической, химической, машиностроительной и

других отраслях промышленности, сельском хозяйстве, науке, медицине.

Вместе с тем, являясь мощным средством технического прогресса,

атомная энергия таит в себе огромную потенциальную опасность, которая

может оказать вредное влияние на организм человека или нарушить

нормальную жизнедеятельность людей.

Стремительно вошедшая в нашу жизнь атомная энергия и ее массовое

использование вызвали необходимость установления надежного заслона

возможности отрицательного влияния ионизирующего излучения на

организм.

Свойства и особенности воздействия ионизирующего излучения на

человека во многом определили специфику разработки средств и методов

защиты. Стремительное развитие ядерной энергетики, выпуск различного

вида радиационной техники и приборов, резкое расширение производства

радиоактивных изотопов еще острее ставят задачу радиационной защиты

лиц, работающих в сфере действия радиации, и населения различных

регионов страны.

Ионизирующее излучение — любое излучение, взаимодействие

которого со средой приводит к образованию ионов. Ультрафиолетовое

излучение, хотя и способно ионизировать среду, не принято относить к

ионизирующим излучениям.

13.1 Виды ионизирующих излучений

К ионизирующим излучениям относятся:

− гамма-излучение — электромагнитное фотонное излучение,

испускаемое при ядерных превращениях или при ассимиляции частиц;

− характеристическое излучение — фотонное излучение с дискретным

спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома;

− тормозное излучение — фотонное излучение с непрерывным

спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных

частиц. Тормозное излучение возникает в среде, окружающей источник бета-излучения, в рентгеновских трубках, ускорителях электронов и т. п.;

− рентгеновское излучение — совокупность тормозного и

характеристического излучений, диапазон энергии фотонов которого

составляет 1 КэВ — 1 МэВ;

− Корпускулярное излучение — ионизирующее излучение, состоящее

из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета-частиц, протонов,

нейтронов и др.).

По взаимодействию ионизирующего излучения с веществом оно

подразделяется на несколько видов.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых

веществом при радиоактивном распаде ядер или ядерных реакциях. Этот вид

излучения наблюдается преимущественно у естественных радиоактивных

элементов (радий, торий, уран и др.). Их энергия не превышает несколько

мегаэлектроновольт (МэВ). Длина пробега в воздухе 2,5 - 9 см, в

биологических тканях несколько десятков микрометров. Обладая

сравнительно большой массой, альфа-частицы быстро теряют свою энергию

при взаимодействии с веществом, что обусловливает их низкую

проникающую способность и высокую удельную ионизацию.

Бета-излучение — поток электронов или позитронов, возникающих

при радиоактивном распаде. Энергия бета-частиц не превышает нескольких

мегаэлектроновольт (МэВ). Максимальный пробег в воздухе составляет

около 1700 см, в тканях — 2,5 мм. Ионизирующая способность бета-частиц

ниже, а проникающая способность выше, чем альфа-частиц, так как они

обладают значительно меньшей массой и при равной с альфа-частицами

энергией имеют меньший заряд. В результате ионизации в некоторых средах

происходят вторичные процессы: люминесценция, фотохимические реакции,

образование химически активных радикалов.

Гамма-излучение. Его энергия находится в пределах 0,01—10 МэВ.

Проникающая способность гамма-излучения очень высокая и находится в

прямой зависимости от энергии.

Рентгеновское излучение — характеризуется очень короткой длиной

волны (0,006—2 нм). Важнейшим по свойствам при взаимодействии с

веществом является большая проникающая способность при незначительной

ионизации среды.

Способностью преобразовывать свою энергию в упругих и неупругих

взаимодействиях с ядрами атомов обладают нейтроны, которые сами не

несут на себе электрического заряда. При упругих взаимодействиях

возникает обычная ионизация вещества. При неупругих — возникает

вторичное излучение. В зависимости от кинетической энергии нейтроны

разделяются на сверхбыстрые, быстрые, промежуточные, медленные и

тепловые.

Проникающая способность нейтронов существенно зависит от их

энергии и состава атомов вещества, с которыми они взаимодействуют.

Ионизация - образование положительных и отрицательных ионов и

свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул под

воздействием излучений.

Для ионизации среды необходима энергия. Энергию излучения,

которая расходуется на ионизацию, измеряют во внесистемных единицах,

производных от единицы энергии джоуль (Дж), которая называется

электрон-вольт (эВ). Энергию в 1 эВ приобретает электрон с зарядом -1 при

прохождении ускоряющей разности потенциалов в 1 В. 1 эВ = 1,6·10–19 Дж.

Мерой самой ионизации, по определению, является ионизирующая

способность излучения, которая, естественно, должна иметь размерность

количества электричества, отнесенного к единице массы ионизируемой

среды, т.е. кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Таким образом, мерой

ионизации, или облучения (воздействия ионизирующего излучения на

вещество), является показатель, характеризующий величину появившихся

под действием излучения зарядов электричества в единице массы вещества.

Этот показатель называют экспозиционной дозой, измеряемый в рентгенах

(Р).

1 Рентген – мера экспозиционной дозы ионизирующего излучения, под

действием которого в облучаемой среде (1 см3 сухого воздуха при

температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст.) возникает одна

электростатическая единица электричества (э.с.е.). 1 э.с.е. определили, когда

в нашей стране была принята система единиц СГС, в которой мерой

количества электричества была принята 1 э.с.е., эквивалентная 2,08·109

зарядам пар ионов, так как заряд одного иона в системе СГС равен 4,8·10–10

э.с.е.

После пересчета 1 см3 воздуха в килограммы массы и 1 э.с.е. – в

кулоны получим соотношение 1 Р = 2,58·10–4 Кл/кг.

На генерацию такого количества электричества необходимо затратить

0,0088 Дж/кг энергии. Эту величину называют энергетическим

эквивалентом 1 рентгена (э.э.р.).

Энергетический эквивалент рентгена можно выразить в радах (рад); 1

э.э.р. = 0,88 рад, или 0,0144 Дж/кг= 1,14 э.э.р. = 1 рад.

Важной характеристикой источника ионизирующего излучения

является активность источника, равная числу самопроизвольных ядерных

превращений в этом источнике за определенный интервал времени. Единица

активности беккерель (Бк), равна 1 ядерному превращению (распаду) за 1 с.

Единицу, равную 3,7-1010 Бк, называют кюри (Ки), что соответствует

активности 1 г радия. На практике используют удельную активность (Бк/кг;

Ки/кг), объемную (Бк/л; Ки/л), а также активность, отнесенную к площади

(Бк/м2; Ки/км2).

Облучение - процесс поглощения энергии материальным телом от

источника излучения.

Основной мерой облучения (вредного воздействия ионизирующего

излучения) является величина, характеризующая объем поглощенной от

источника ионизирующего излучения энергии, отнесенной к единице массы

облучаемого вещества.

О масштабе поглощения энергии водой от источника в 1 г радия

говорит тот факт, что при адиабатическом процессе она в объеме 200 мл за 6

суток нагревается от 0 °С до кипения.

Величину, равную отношению средней энергии, переданной

ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе

вещества в этом объеме, называют поглощенной дозой. Единица

поглощенной дозы - грей (Гр) - является основной дозиметрической

величиной. 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг.

По локальному признаку и характеру воздействия на человека

облучения могут быть следующих видов:

общее, или тотальное (всего тела человека);

неравномерное (отдельных частей тела);

острое (части тела человека узконаправленным пучком ионизирующих

облучений);

однократное;

дозированное (строго определенной дозой);

внешнее (от источника, находящегося вне тела человека);

внутреннее (от источника, находящегося внутри тела человека).

Биологическое (патологическое) воздействие на человека облучения от

различных источников излучений неодинаково.

Поэтому для оценки возможного ущерба здоровью человека от

хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава

вводится понятие эквивалентной дозы, определяемой как произведение

поглощенной дозы на средний коэффициент качества (см. ниже).

Единица эквивалентной дозы - зиверт (Зв). 1 Зв = 100 бэр = = 1 Дж/кг.

Бэр - внесистемная единица. Расшифровывается как биологический

эквивалент рентгена.

Не следует допускать широко распространенной ошибки, состоящей в

том, что иногда пишут: 1 Р = 0,88 рад. Рентген и рад имеют разные

размерности: 3876 Р = 1 Кл/кг; 100 рад = 1 Гр= 1 Дж.

Правильна запись: 1 э.э.р. = 0,88 рад; 114 э.э.р. = 100 рад = = 1 Гр = 1

Дж/кг.

При определении эквивалентной дозы принимается следующий состав

мягкой биологической ткани: 10 % водорода; 11 % углерода; 3 % азота; 76 %

кислорода по массе.

Коэффициент качества К - коэффициент для учета биологической

эффективности разных видов ионизирующих излучений при определении

эквивалентной дозы.

13.4 Электромагнитный импульс

Электромагнитный импульс – это электрические и магнитные поля,

возникающие в результате воздействия γ-излучений на атомы окружающей

среды и образования потока электронов и положительно заряженных ионов.

Причины возникновения электромагнитного импульса:

− γ-излучение;

− переменное электрическое поле, создаваемое потоком электронов (β-частиц);

− искажение магнитного поля Земли за счет светящейся области.

При взаимодействии γ-квантов с атомами среды последним сообщается

импульс энергии, небольшая доля которой тратится на ионизацию атома, а

основная – на сообщение поступательного движения электронам и ионам,

образовавшимся в результате ионизации.

Первичные (быстрые) электроны движутся в радиальном направлении

от центра взрыва и образуют радиальные электрические токи и поля, быстро

нарастающие во времени. Обладая большой энергией, быстрые электроны

производят дальнейшую ионизацию среды. Каждый быстрый электрон

способен образовать до 3·10

4

вторичных (медленных) электронов и

положительных ионов.

Под действием электрического поля, созданного первичными

электронами и ионами, вторичные электроны начинают двигаться к центру

взрыва, т.е. противоположно направлению движения быстрых электронов, и

вместе со вторичными положительными ионами создают электрические поля

и токи, компенсирующие первоначальные электрические поля и токи.

Поскольку скорость движения вторичных электронов намного меньше

скорости первичных электронов, процесс компенсации первичных

электрических полей и токов длится значительно дольше, чем процесс их

возникновения. В результате указанных процессов в воздухе возникают

кратковременные результирующие электрические и магнитные поля,

которые и представляют собой электромагнитный импульс ядерного взрыва

(ЭМИ).

Процессы взаимодействия γ-квантов, нейтронов и быстрых электронов

со средой совершаются не по всем направлениям одинаково: всегда

существуют направления, по которым они идут менее энергично или

охватывают меньший объем пространства. Это различие может проистекать

из-за несимметричности конструкции ядерного боеприпаса, неоднородной

плотности воздуха в окружающем ядерный боеприпас пространстве, наличия

поверхности земли на пути распространения γ-лучей и нейтронов, влияния на

направление движения электронов электрического и магнитного полей Земли

и т.д. Вследствие этих причин электромагнитные поля теряют свою

сферическую симметрию и приобретают определенную направленность.

13.4.1 Основные параметры ЭМИ

Основными параметрами ЭМИ, определяющими его поражающее

действие, являются: характер изменения напряженности электрического и

магнитного полей во времени (форма импульса); величина максимальной

напряженности поля (амплитуда импульса).

Пиковая (максимальная) амплитуда ЭМИ образуется за очень короткий

промежуток времени (10-20нс), а общая продолжительность импульса

составляет несколько миллисекунд (мс).

Мощность ЭМИ измеряется в мегаэлектронвольтах (МЭВ). Электрон

вольт (ЭВ) – это работа совершаемая электрическим полем при перемещении

электрона между двумя точками с разностью потенциалов в 1 Вольт.

1 ЭВ=1,6·10

-19

Дж. 1 МЭВ=1·10

6

ЭВ.

Поскольку амплитуда ЭМИ быстро уменьшается с увеличением

расстояния, его поражающее действие – несколько километров от центра

взрыва. ЭМИ вызывает повреждения радиоэлектронной аппаратуры и связи.

Защитой от ЭМИ служат специальные автоматические устройства, подобные

применяемым для защиты от грозовых разрядов. ЭМИ непосредственного

действия на человека не оказывает.