2.8. Іонізуюче випромінювання

2.8.1. Виробничі джерела, іонізуючого випромінювання, класифікація і особливості їх використання

Штучними джерелами іонізуючих випромінювань є ядерні реактори, прискорювачі заряджених частинок, рентгенівські установки, штучні радіоактивні ізотопи, прилади засобів зв'язку високої напруги тощо. Як природні, так і штучні іонізуючі випромінювання можуть бути електромагнітними (фотонними або квантовими) і корпускулярними. Класифікація іонізуючих випромінювань, яка враховує їх природу, наведена на рис. 2.8.1.1.

Рис. 2.8.1.1. Класифікація іонізуючих випромінювань

Рентгенівське випромінювання виникає в результаті зміни стану енергії електронів, що знаходяться на внутрішніх оболонках атомів, і має довжину хвилі (1000 – 1)10^-12м. Це випромінювання не перевищує 1 МеВ. Рентгенівські промені проходять тканини людини наскрізь.

Гамма (γ)-випромінювання виникають при збудженні ядер атомів або елементарних частинок. Довжина хвилі (1 – 1000) 10^-15 м. Джерелом γ-випромінювання є ядерні вибухи, розпад ядер радіоактивних речовин. Вони утворюються також при проходженні швидких заряджених частинок крізь речовину. Завдяки значній енергії, що знаходиться в межах від 0,001 до 5 МеВ у природних радіоактивних речовин та до 70 МеВ при штучних ядерних реакціях, це випромінювання може іонізувати різні речовини, а також характеризується великою проникаючою здатністю крізь великі товщі речовини. Поширюється воно зі швидкістю світла і використовується в медицині для стерилізації приміщень, апаратури, продуктів харчування.

Альфа (α)-випромінювання – іонізуюче випромінювання, що складається з α-частинок (ядер гелію), які утворюються при ядерних перетвореннях і рухаються зі швидкістю близько до 20000 км/с. Енергія α-частинок – 2-8 МеВ. α-частинки проникають у повітря на 10-11 см від джерела, а в біологічних тканинах на 30-40 мкм.

Вони затримуються аркушем паперу, практично нездатні проникати крізь шкіряний покрив. Тому α-частинки не несуть серйозної небезпеки доти, доки вони не потраплять всередину організму через відкриту рану або через кишково-шлунковий тракт разом із їжею.

Бета β-випромінювання – це електронне та позитронне іонізуюче випромінювання з безперервним енергетичним спектром, що виникає при ядерних перетвореннях. Швидкість β-частинок близька до швидкості світла. Вони мають меншу іонізуючу і більшу проникаючу здатність у порівнянні з α -частинками. β-частинки проникають у тканини організму на глибину до 1-2 см, а в повітрі – на декілька метрів. Вони повністю затримуються шаром ґрунту товщиною 3 см.

Кожному біологічному виду властива своя міра чутливості до дії іонізуючої радіації, яка характеризує його радіочутливість. Ступінь радіочутливості сильно варіюється в межах одного виду (індивідуальна радіочутливість), а для певного індивідууму залежить також від віку і статі. Навіть в одному організмі різні клітини і тканини сильно відрізняються за радіочутливістю.

Енергія іонізуючого випромінювання при проходженні через біологічну тканину передається атомам і молекулам. Це приводить до утворення іонів і збуджених молекул, що обумовлює хімічне враження клітини.

В основі первинних радіаційно-хімічних змін молекул лежать два механізми: 1) прямої дії, коли дана молекула зазнає зміну (іонізацію, збудження) безпосередньо при взаємодії з випромінюванням; 2) непрямої дії, коли молекула безпосередньо не поглинає енергію іонізуючого випромінювання, а отримує її шляхом передачі від іншої молекули.

Оскільки у біологічній тканині міститься 60...70% маси води, суттєву роль у процесі біологічної дії випромінювань грає радіоліз води. Під дією випромінювань вода розкладається із утворення радикалів водню (Н') і гідроксилу (ОН'), які мають високу хімічну активність.

В присутності розчиненого у воді кисню утворюються також інші продукти радіолізу: вільний радикал гідроперекису НО₂', перекис водню Н₂О₂' і атомарний кисень.

В клітині організму, особливо якщо поглинальними речовинами є великі і багатокомпонентні біологічні молекули, утворюються органічні радикали Д', які відзначаються високою реакційною здатністю.

Крім того, біологічна дія посилюється за рахунок кисневого ефекту, взаємодії вільного радикалу з киснем і утворення високореакційного продукту Д0₂'.

Отримані в процесі радіолізу води вільні радикали і окисники, маючи високу хімічну активність, вступають у хімічні реакції з молекулами білків, ферментів та інших структурних елементів біологічної тканини, що приводить до зміни біохімічних процесів в організмі. В результаті порушуються обмінні процеси, пригнічується активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється ріст тканин, виникають не властиві організму нові хімічні з'єднання – токсини. Це сприяє порушенню життєдіяльності окремих систем чи організму в цілому.

Жоден інший вид енергії (теплової, електричної та ін.), поглинутої біологічним об'єктом в тій же кількості, не приводить до таких змін, які викликає іонізуюче випромінювання. Наприклад, смертельна доза іонізуючого випромінювання для ссавців дорівнює 10 Гр, що відповідає поглинутій енергії 10 Дж/кг. Якщо цю енергію підвести у вигляді тепла, то вона нагріла б організм людини лише на 0,001°С, менше, ніж від склянки випитого чаю.

Біологічна дія іонізуючих випромінювань на організм людини, в першу чергу, залежить від поглинутої енергії випромінювання.

Поглинута доза випромінювання (Д) – це фізична величина, яка дорівнює відношенню середньої енергії, переданої випромінюванням речовині в деякому елементарному об'ємі, до маси речовини в ньому.

Одиниця вимірювання поглинутої зони – грей (Гр.); 1 Гр = 1Дж/кг. Застосовується також позасистемна одиниця – рад. 1 рад = 0,01 Гр.

Однак поглинута доза не враховує того, що вилив однієї і тієї самої дози різних видів випромінювань на окремі органи і тканини, як і на організм у цілому, неоднаковий. Наприклад, α-випромінювання спричиняє ефект іонізації майже у 20 разів більший, ніж β- та γ-випромінювання. Для порівняння біологічної дії різних видів випромінювань при вирішенні задач, пов'язаних із радіаційним захистом, НРБУ-97 уведено поняття еквівалентної дози в органі або тканині (Н_т), величина якої визначається як добуток поглинутої дози в окремому органі або тканині (Д_т) на радіаційний зважуючий фактор W , величина якого залежить від відносної біологічної ефективності іонізуючого випромінювання, тобто

Н_т= Д_т W (2.8.1.1)

Одиниця еквівалентної дози в системі СІ – зіверт (Зв). Позасистемна одиниця еквівалентної дози – бер – біологічний еквівалент рада. 1Зв=100бер.