6.2.8. Іонізуючі випромінювання

Радіоактивність та супутнє їй іонізуюче випромінювання існували на Землі завжди. У біосфері існує понад 60 природних джерел іонізуючого випромінювання. В основному, сучасна людина опромінюється джерелами природного походження (космічного та земного). На частку земного припадає 5/6 природного опромінювання, в основному внаслідок дії радіонуклідів, що попадають в організм з їжею, водою та повітрям. Радіоактивні ізотопи (калій-40, уран-238, торій-232 та ін.) містяться у гірських породах, які широко використовуються в будівництві та інших галузях господарства. В попелі, який утворюється при спалюванні вугілля знаходяться низка радіоактивних речовин: уран, радій, торій, полоній, калій, з питомою активністю 130-1700 Бк/кг. Викиди у атмосферу при роботі теплових електростанцій, що спалюють вугілля, значно збільшують дозу іонізуючого опромінювання для населення, яке мешкає в цьому районі.

Значна частина природного опромінювання припадає на газ радон, який утворюється при розпаді урану та торію і виділяється з породи (граніт, пемза), будівельних матеріалів, при розпилюванні води, спалюванні газу. В закритих приміщеннях активність радону може досягати кількох тисяч Бк/м³. Крім зазначеного, проблема іонізуючого опромінювання пов’язана з рядом технологій, які використовуються в сучасному суспільстві. Швидкий розвиток ядерної енергетики і широке впровадження джерел іонізуючих випромінювань у різних областях науки, техніки суспільного виробництва створили потенційну загрозу радіаційної небезпеки для людини і забруднення навколишнього середовища радіоактивними речовинами. Так, в Україні більше 40% електроенергії виробляється на атомних електростанціях (АЕС). В той же час, усі компоненти ядерного паливного циклу створюють значну радіаційну проблему (добування та збагачення урану, його транспортування, спалювання уранового палива та зберігання відходів).

Серед штучних джерел іонізуючого випромінювання важливим для сучасної людини є медичні дослідження та радіотерапія. Так, при рентгенографії зубів доза опромінювання у черепі може досягати 60-130 мкЗв. В середньому світовий рівень додаткової дози від медичних процедур дорівнює 0,4 мЗв на рік, що складає 20 % від фонового опромінювання.

Джерела іонізуючих випромінювань широко використовуються в різних сферах діяльності людини: для дефектоскопії металів, контролю якості зварювання з’єднань, автоматичного контролю технологічних операцій, визначення рівня агресивного середовища, боротьби зі статичною електрикою та ін. Вони також використовуються в сільському господарстві, геологічній розвідці, медицині, атомній енергетиці тощо.

Іонізуюче випромінювання — випромінювання, взаємодія якого з середовищем призводить до утворення в останньому електричних зарядів різних знаків, тобто до іонізації цього середовища.

Поняття “іонізуюче випромінювання” об’єднує різноманітні види, різні за своєю природою, випромінювання. Подібність їх полягає в тому, що усі вони відрізняються високою енергією, мають властивість іонізувати і руйнувати біологічні об’єкти.

До іонізуючих випромінювань відносять всі види випромінювань, що викликають іонізацію атомів або молекул речовин. До них частіше відносять рентгенівські та гамма-випромінювання, а також будь-які заряджені частинки: електрони, позитрони, альфа-промені, протони, нейтрони.

Здебільше іонізуючі випромінювання виникають в результаті самочинного розпаду ядер деяких хімічних елементів (радіоактивні речовини): радію, торію, урану та інших, здатних самочинно спричинити іонізацію навколишнього середовища (повітря, різних матеріалів, живої тканини), тобто утворювати позитивно та від’ємно заряджені атоми і молекули – іони. Це явище називають радіоактивним випромінюванням або радіоактивністю.

Радіоактивність — самовільне перетворення (розпад) атомних ядер деяких хімічних елементів (урану, торію, радію та ін.), що призводить до зміни їх атомного номера і масового числа.

Радіоактивні речовини розпадаються з чітко визначеною для кожної речовини швидкістю, яка залежить від властивостей і хімічного складу речовин. Число ядер даного елемента, яке розпадається за одиницю часу (А), пропорційне повному числу ядер N, тобто

А = -dN/dt = λN,

де λ — постійна радіоактивного розпаду, яка характеризує вірогідність розпаду на одне ядро за одиницю часу.

Цей процес також може бути описаний формулою:

N_t = N₀ (-λt)

Де N₀ і N_t - число радіоактивних ядер в початковий момент та через період часу t відповідно.

Тобто швидкість розпаду А є активність радіонуклідів. У системі одиниць СІ за одиницю активності прийняте одне ядерне перетворення за секунду. Ця одиниця одержала назву бекерель (Бк). Позасистемною одиницею виміру активності є кюрі (Кі). Це активність радіонукліда в джерелі, в якому відбувається 3,710¹⁰ актів розпаду на одну секунду. Одиниця активності кюрі відповідає активності 1 г Ra.

Частки, що випускаються радіоактивним джерелом, утворюють потік, який вимірюється числом часток у 1 с. Число часток, що припадає на одиницю поверхні (квадратний сантиметр), являє собою щільність потоку часток (часток/(хв·см²), часток/(с·см²).

У радіометрії застосовуються питома активність Am (Бк/кг), об’ємна Av (Бк/м³) і поверхнева As (Бк/м²) активності джерел. Постійна розпаду λ, зв’язана з періодом напіврозпаду Т_1/2 тобто періодом за який кількість активних ядер зменшується у двічі співвідношенням:

Т_1/2 = 0,693/λ

Кожен ізотоп має свої значення Т_1/2. Наприклад, для калію-40 Т_1/2 = 1,2810⁹ років, цезію-137 Т_1/2 = 30 років, стронцію-90 Т_1/2 - 28 років, йоду-131 Т_1/2 - 8 діб.

У результаті радіоактивних перетворень виникають різні частки - α (альфа), β (бета), n (нейтрони), фотони — γ (гамма) промені та ін., які мають різні енергетичні параметри і здатність іонізувати середовище.

α-випромінювання — потік позитивно заряджених часток (ядер атомів гелію), що утворюються при розпаді ядер або при ядерних реакціях. Вони мають велику, іонізуючу дію, але малу проникаючу здатність.

β-випромінювання — потік негативно заряджених часток (електронів) або позитивних (позитронів), що утворюються при розпаді ядер або нестійких часток. Іонізуюча здатність β-часток на два порядки нижче α-часток.

γ-випромінювання являє собою короткохвильове електромагнітне випромінювання (фотонне випромінювання). Воно має місце при змінах енергетичного стану атомних ядер, а також при ядерних перетвореннях.

Рентгенівське випромінювання це також електромагнітне випромінювання, яке утворюється при зупинці або гальмуванні електронів великої швидкості. Гамма та рентгенівське випромінювання мають невелику іонізуючу дію, але дуже велику проникаючу здатність. Основні характеристики іонізуючих випромінювань подані у таблиці.

Таблиця 1

Основні характеристики іонізуючих випромінювань

Вид випромінювань	Фізична природа	Швидкість розповсюд ження, км/с	Енергія випромін ювань, МеВ	Глибина проникнення		Іонізуюча здібність, пар іонів на 1 мм пробігу в повітрі
				Повітря	Біологічна тканина
Альфа	Ядра гелію	20000	1,83-11,65	2,5-11 см	30-130 мкм	1000-000
Бета	Електрони, позитрони	290000	0,005-8,0	0,002-34 м	0,002-41,3 мм	30-50
Гамма	Фотонне, ЕМВ (довжина хвилі 0,01-0,0005 нм)	300000	0,01-10	4,8-0,02* (по воді)	4,99-0,02* (по воді)	2-4

* - коефіцієнт ослаблення енергії фотонів (масовий коефіцієнт передачі енергії).

Суть процесу іонізації полягає в тому, що під дією радіоактивних випромінювань електрично нейтральні в нормальних умовах атоми і молекули речовин розпадаються на пари позитивно і негативно заряджених частинок - іонів.

Така взаємодія приводить до порушення атомів і виривання окремих електронів з електронних оболонок нейтрального атома. У результаті атом, позбавлений одного чи декількох електронів, перетворюється в позитивно заряджений іон — відбувається іонізація. Електрони, що втратили в результаті багаторазових зіткнень свою енергію, залишаються вільними чи приєднуються до якого-небудь нейтрального атома, утворюючи негативно заряджені іони. Таким чином, енергія випромінювання при проходженні через речовину витрачається, в основному, на іонізацію середовища. Число пар іонів, що утворюються іонізуючим випромінюванням у речовині на одиниці шляху пробігу, називається питомою іонізацією, а середня енергія, що витрачається іонізуючим випромінюванням на утворення однієї пари іонів — середньою роботою іонізації.

В міру просування у середовище заряджена частка втрачає свою енергію. Відстань, пройдена часткою від місця утворення до місця втрати нею надлишкової енергії, називається довжиною пробігу.

Відповідно розрізняють: експозиційну, поглинену та еквівалентну дози іонізуючого випромінювання.

Експозиційна доза характеризує іонізуючу спроможність випромінювання в повітрі, вимірюється в кулонах на 1 кг (Кл/кг); позасистемна одиниця - рентген (Р); 1 Кл/кг = 3,88 х 10³ Р. За експозиційною дозою можна визначити потенційні можливості іонізуючого випромінювання.

Поглинута доза характеризує енергію іонізуючого випромінювання, що поглинається одиницею маси опроміненої речовини. Вона вимірюється в греях Гр (1 Гр=1 Дж/кг). Застосовується і позасистемна одиниця рад (1 рад = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг).

Доза, яку одержує людина, залежить від виду випромінювання, енергії, щільності потоку і тривалості впливу. Проте поглинута доза іонізуючого випромінювання не враховує того, що вплив на біологічний об’єкт однієї і тієї ж дози різних видів випромінювань неоднаковий. Щоб врахувати цей ефект, введено поняття еквівалентної дози.

Різні види іонізуючих випромінювань справляють неоднакову біологічну дію. Для оцінки біологічної дії різних видів іонізуючих випромінювання нормативами (НРБУ-97) — «Норми радіаційної безпеки України» введено поняття радіаційний зважуючий фактор – W_R, який показує, у скільки разів даний вид випромінювання справляє більш сильну біологічну дію, ніж (R) — випромінювання при однаковій поглиненій дозі. Для α-випромінювання є 20, для (β-випромінювання 1 і нейтронного випромінювання - 5-20.

Для оцінки можливих наслідків іонізуючого опромінювання з урахуванням іонізуючої здатності випромінювання введено поняття еквівалентної дози (Н).

Одиницею виміру еквівалентної дози в системі СІ є Зіверт, 1 Зв = Дж/кг. Позасистемною одиницею еквівалентної дози є бер, 1 бер = 0,01 Зв.

При однакових еквівалентних дозах ступінь ураження окремих органів і тканин тіла людини залежить від радіаційної чутливості цих органів і тканин. Для оцінки ступеня радіаційного ураження людини з урахуванням радіаційної чутливості окремих органів і тканин введено поняття ефективної дози (Е), яка визначається за виразом:

Е = Σ Н_Т·W_T

де Н_Т - еквівалентна доза в тканині чи органі, W_T — тканинний зважуючий фактор, який характеризує відносний стохастичний ризик опромінювання окремих тканин (W_T для гонад — 0,2; для червоного кісткового мозку, кишечника, легень — 0,12; для більшості внутрішніх органів — 0,05; для шкіри поверхні кістки— 0,01).

Біологічна дія іонізуючих випромінювань. Механізм взаємодії випромінювання з речовиною залежить від властивостей середовища, виду та енергії випромінювання.

При вивченні дії випромінювання на організм людини були визначені наступні особливості:

- дія іонізуючих випромінювань на організм невідчутна людиною. У людей відсутні органи почуття, що сприймають іонізуючі випромінювання. Тому людина може проковтнути, вдихнути радіоактивну речовину без усяких первинних відчуттів. Дозиметричні прилади є додатковим органом почуттів, призначеним для сприйняття іонізуючого випромінювання;

- висока ефективність поглиненої енергії. Мала кількість поглиненої енергії випромінювання може викликати глибокі біологічні зміни в організмі;

- різні органи живого організму мають свою чутливість до опромінення. При щоденному впливі дози 0,002-0,005 Гр настають зміни в крові;

- наявність прихованого періоду прояву дії іонізуючого випромінювання. Цей період часто називають періодом удаваного благополуччя. Тривалість його скорочується із збільшенням дози;

- дія малих доз може підсумовуватися чи накопичуватися. Цей ефект називається кумуляцією;

- вплив опромінювання проявляється безпосередньо на живому організмі у вигляді миттєвих уражень (соматичний ефект), через деякий час у вигляді різноманітних захворювань (соматично-стохастичний ефект), а також на його потомстві (генетичний ефект);

- не кожен організм, у цілому, однаково реагує на опромінення.

Іонізуюче випромінювання, впливаючи на живий організм викликає в ньому ланцюг зворотних і незворотних змін, що призводять до тих чи інших біологічних наслідків, залежно від виду, рівня опромінення, тривалості дії, розміру поверхні, яка опромінюється, та властивостей організму. Первинним етапом — пусковим механізмом, що ініціює різноманітні процеси в біологічному об’єкті, є іонізація і порушення молекулярних зв’язків. У результаті впливу іонізуючого випромінювання порушується нормальний перебіг біохімічних процесів і блокується ділення клітин. Відомо, що 2/3 тканини людини складають вода і вуглець. Вода під впливом випромінювання розщеплюється на водень Н і гідроксильну групу ОН, що безпосередньо, або через ланцюг вторинних ланцюгових перетворень призводить до утворення продуктів з високою хімічною активністю: гідратного оксиду НО₂ і перекису Н₂О₂. Ці сполуки взаємодіють з молекулами органічної речовини тканини, окисляючи і руйнуючи її на клітинному рівні.

Залежно від величини поглиненої дози випромінювання та індивідуальних особливостей організму викликані зміни можуть бути зворотними чи незворотними. При невеликих дозах уражені тканини відновлюють свою функціональну діяльність. Великі дози при тривалому впливі можуть викликати незворотне ураження окремих органів чи всього організму.

Будь-який вид іонізуючих випромінювань викликає біологічні зміни в організмі як при зовнішньому (джерело знаходиться поза організмом), так і при внутрішньому опроміненні (радіоактивні речовини попадають усередину організму, наприклад пероральним чи інгаляційним шляхом). При попаданні в середину організму найбільш небезпечні речовини, які мають більшу іонізуючу здатність, тобто α- і β-випромінювачі. Зовнішнє опромінення α- також β-частками менш небезпечно. Вони мають невеликий пробіг у тканині і не досягають кровотворних та інших внутрішніх органів. При зовнішньому опроміненні необхідно враховувати γ- і нейтронне опромінення, які проникають у тканину на велику глибину і руйнують її.

Важливим фактором при впливі іонізуючого випромінювання на організм є тривалість опромінення. При одноразовому опроміненні всього тіла людини можливі біологічні порушення залежать від сумарної поглиненої дози випромінювання.

Ступінь чутливості різних тканин до опромінення неоднаковий. Якщо розглядати тканини органів у порядку зменшення їх чутливості до дії випромінювання, то одержимо наступну послідовність: зародкові клітини, червоний кістковий мозок, селезінка, легені, лімфатична тканина, зобна залоза. Велика чутливість кровотворних органів до радіації лежить в основі визначення характеру променевої хвороби. При одноразовому опроміненні всього тіла людини поглиненою дозою 0,5 Гр за добу після опромінення різко скорочується число лімфоцитів. Зменшується також і кількість еритроцитів по закінченні двох тижнів після опромінення.

Ступінь ураження організму залежить від розміру поверхні, що опромінюється. Із зменшенням поверхні, що опромінюється, зменшується і біологічний ефект.

Радіоактивні речовини можуть потрапити всередину організму при вдиханні повітря, забрудненого радіоактивними елементами, із забрудненою їжею чи водою, через шкіру, а також при зараженні відкритих ран. Набагато частіше внаслідок недотримання вимог безпеки радіоактивні речовини попадають в організм через травний тракт.

Небезпека радіоактивних джерел, що попадають тим чи іншим шляхом в організм людини, тим більша, чим вища їх активність. Ступінь небезпеки залежить також від швидкості виведення речовини з організму. Період напіввиведення Т_НВ тобто термін за який активність нукліда в організмі зменшиться у два рази, для калію-40 Т_НВ = 58 діб; цезію-137 Т_НВ = 70 діб; для стронцію-90 Т_НВ = 1,8х10⁴діб.

Деякі радіоактивні речовини, потрапляючи в організм, розподіляються в ньому більш-менш рівномірно, інші концентруються в окремих внутрішніх органах. Так, у кісткових тканинах відкладаються джерела α-випромінювання (радій-226, уран-238, плутоній-239); β-випромінювання (стронцій-90, ітрий-91). Ці елементи, хімічно зв’язані з кістковою тканиною, дуже важко виводяться з організму. Тривалий час утримуються в організмі також елементи з великим атомним номером (полоній, уран і ін.). Елементи, що утворюють в організмі легкорозчинні солі, накопичуються в м’яких тканинах і відносно легко видаляються з організму. У м’язових тканинах більш-менш рівномірно розподіляються джерела β-випромінювання натрій-24 та цезій-137, а у щитовидній залозі відбувається накопичування γ-випромінюючого елементу йод-131. Накопичування радіоактивних елементів в окремих, тканинах та органах обумовлює з часом розвиток в них патології змін, наприклад, злоякісних пухлин.

Допустимі рівні іонізуючого випромінювання регламентуються «Нормами радіаційної безпеки України НРБУ-97», які є основним документом, що встановлює радіаційно-гігієнічні регламенти до забезпечення прийнятих рівнів опромінення як для окремої людини, так і суспільства взагалі. НРБУ-97 поширюються на ситуації опромінення людини джерелами іонізуючого випромінювання в умовах:

- нормальної експлуатації індустріальних джерел іонізуючого випромінювання;

- медичної практики;

- радіаційних аварій;

- опромінення техногенно-підсиленими джерелами природного походження.

Згідно з цими нормативними документами опромінювані особи поділяються на наступні категорії:

А-персонал — особи, котрі постійно або тимчасово безпосередньо працюють з джерелами іонізуючого випромінювання;

Б-персонал — особи, які безпосередньо не зайняті роботою з джерелами іонізуючих випромінювань, але у зв’язку з розміщенням робочих місць у приміщеннях і на промислових площадках об’єктів з радіаційно-ядерними технологіями можуть одержувати додаткове опромінення;

В — все населення.

НРБУ-97 включають такі регламентовані величини: ліміт дози, допустимі рівні, контрольні рівні, рекомендовані рівні та ін. Для контролю за практичною діяльністю, а також підтримання радіаційного стану навколишнього середовища найбільш значимою регламентованою величиною є ліміт ефективної дози опромінення за рік мЗв/рік). Також встановлюють ліміт річної еквівалентної дози зовнішнього опромінювання окремих органів і тканин.

З метою зниження рівнів опромінювання населення Міністерство охорони здоров’я України запроваджує рекомендовані рівні медичного опромінювання. При проведенні профілактичного обстеження населення річна ефективна доза не повинна перевищувати 1 мЗв. НРБУ-97 також регламентує ефективну питому активність природних радіонуклідів у будівельних матеріалах (за зваженою сумою активності радію-226, торію-232 і калію-40). Наприклад, коли активність в будівельних матеріалах та мінеральній сировині нижче або дорівнює 370 Бк·кг^-1, то вони можуть використовуватися для усіх видів будівництва без обмежень. В середині приміщень з постійним перебуванням людей потужність поглиненої в повітрі дози гамма-випромінювання не повинна перевищувати 30 мкР/рік.

Захист від іонізуючих випромінювань може здійснюватися шляхом:

- використання джерел з мінімальним випромінюванням шляхом зниження активності джерела випромінювання;

- скорочення часу роботи з джерелом іонізуючого випромінювання;

- віддалення робочого місця від джерела іонізуючого випромінювання;

- екранування джерела іонізуючого випромінювання;

- екранування зони знаходження людини;

- застосування засобів індивідуального захисту людини;

- провадження санітарно-гігієнічних та лікарсько-профілактичних заходів;

- впровадження організаційних заходів захисту робітників з відкритими та закритими джерелами іонізуючого випромінювання.

Обґрунтування і вибір доцільного комплексу заходів щодо хисту від іонізуючих випромінювань в кожному конкретному випадку здійснюється на основі аналізу реальних особливостей джерел випромінювання та радіаційно небезпечних чинників

Найбільш поширеним засобом захисту від іонізуючого випромінювання є екрани.

Альфа-частинки екрануються шаром повітря товщиною декілька сантиметрів, шаром скла товщиною декілька міліметрів. Однак, працюючи з альфа-активними ізотопами, необхідно також захищатись і від бета- або гамма-випромінювання.

З метою захисту від бета-випромінювання використовуються матеріали з малою атомною масою. Для цього використовують комбіновані екрани, у котрих з боку джерела розташовується матеріал з малою атомною масою товщиною, що дорівнює довжині пробігу бета-частинок, а за ним — з великою масою.

З метою захисту від рентгенівського та гамма-випромінювання застосовуються матеріали з великою атомною масою та з високою щільністю (свинець, вольфрам).

Для захисту від нейтронного випромінювання використовують матеріали, котрі містять водень (вода, парафін), а також бор, берилій, кадмій, графіт. Враховуючи те, що нейтронні потоки супроводжуються гамма-випромінюванням, слід використовувати комбінований захист у вигляді шаруватих екранів з важких легких матеріалів (свинець-поліетилен).

Дієвим захисним засобом є використання дистанційного керування, маніпуляторів, комплексів з використанням роботів.

В залежності від характеру виконуваних робіт вибирають засоби індивідуального захисту: халати та шапочки з бавовняної тканини, захисні фартухи, гумові рукавички, щитки, засоби захисту органів дихання (респіратори), комбінезони, пневмокостюми, гумові чоботи.

Особливі вимоги пред’являються до приміщень, в яких проводяться роботи з джерелами іонізуючого випромінювання. Такі приміщення розташовуються в окремих будівлях або їх частинах і мають окремий вхід з санітарними шлюзами. При вході обов’язково повинні бути встановлені знаки радіаційної небезпеки і вказані класи робіт, що здійснюються у приміщенні. Вхід в такі приміщення суворо заборонено для сторонніх осіб.

Для захисту людини від дії іонізуючого випромінювання використовують різноманітні речовини штучного та природного походження, які здатні зв’язувати та виводити радіонукліди з організму людини (радіопротектори). До таких радіопротекторів відносяться: поліаміди, лимонна та щавлева кислота, сірчано кислий барий, сорбенти на основі фероціанідів та ін. Для зниження дії радіонуклідів велике значення має харчування людини продуктами, які мають радіозахисні властивості. До таких вносяться, наприклад, продукти, які містять значну кількість пектинів (чорна смородина, аґрус, шипшина, сік журавлини, яблука та ін.).

Дієвим чинником забезпечення радіаційної безпеки є дозиметричний контроль за рівнями опромінення персоналу та за рівнем радіації в навколишньому середовищі. Оцінка радіаційного стану здійснюється за допомогою приладів.