книги из ГПНТБ / Быховский, А. В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии

черние продукты радиоактивных инертных газов). Устойчивость положительного заряда обусловлена тем, что время между двумя последовательными актами испускания частицей ß-излучения, как правило, меньше времени ее разрядки в биполярной ионной атмосфере.

ее разрядки в биполярной ионной атмосфере с постоян­ ной диффузией 0 = 0,035 см2/сек при концентрации ионов

« = 500 смгъ равно 7,5 мин [22].

Хотя достоверность присутствия на ß-активных аэро­ зольных частицах устойчивого положительного заряда не должна вызывать сомнений, в опубликованных рабо­ тах содержатся лишь единичные указания об исполь­ зовании этого эффекта в технике и гигиенических це­ лях [23, 24]. В частности, Чемберлейн [23] показал, что скорость осаждения радиоактивных продуктов ядерных взрывов на отрицательном электроде выше, чем на по­ ложительном, в 3,1—5,9 раза.

В недавних фундаментальных работах В. Д. Ивано­ ва, В. Н. Кириченко и И. В. Петрянова [25—27] прове­ ден тщательный теоретический анализ закономерностей самопроизвольной зарядки а- и ß-излучающих высоко­ активных частиц. Расчетные формулы подтверждены также экспериментальными данными.

В работе [25] показано, что a-активные аэрозольные частицы с активностью до ІО”11 кюри вследствие сопро­ вождающей а-распад эмиссии вторичных электронов обладают способностью приобретать устойчивые поло­ жительные заряды (порядка нескольких десятков эле­ ментарных зарядов).

ß-Активные аэрозольные частицы в результате элек­ тронной эмиссии также могут приобретать стационар­ ный положительный заряд [26]. Интересно, что заряд ß-активной частицы не зависит ни от радиоактивности, ни от размера частиц. Это связано с тем, что потоки

сфера действия электрических сил намного больше ра­ диуса частицы.

Согласно расчету аэрозольная частица, испускающая электроны с энергией 1 Мэв и находящаяся в центре сферы радиусом 1 м, должна приобрести в среднем

10

устойчивый положительный заряд, равный 150 элемен­ тарным. Наличие внешних источников ионизирующего излучения должно, однако, ограничивать возможности приобретения столь высоких зарядов.

На рис. 1.2 показаны полученные в одном из опытов зависимости зарядов частиц от их радиоактивности для

Рис. 1.2. Зависимость зарядов частиц от их радиоактивности.

разных диапазонов размеров. Видно, что при активности более 50 распад/сек заряды частиц от нее не зависят и лежат в диапазоне 130—300 элементарных, что удовлет­ ворительно согласуется с теоретическими вычислениями.

Оказалось, что распределение экспериментально определенных стационарных зарядов хорошо соответст­ вует нормальному закону. Так, для 142 частиц радиу­ сом 4—5 мкм средний заряд составляет 310, а стандарт­ ное отклонение — 37 элементарных.

Таким образом, ß-активные горячие частицы микрометрового диапазона размеров в отличие от мало­ активных самопроизвольно приобретают стационарные положительные заряды, являющиеся следствием эмис­ сии электронов и зависящие от размера частиц, но не зависящие от их собственной радиоактивности, если она превышает порог, определяемый внешними источниками излучения.

11

Кинетика униполярной зарядки ß-активных частиц в электрическом поле теоретически и экспериментально также изучена В. Д. Ивановым и В. Н. Кириченко [27]. Явление униполярной зарядки высокоактивных аэрозо­ лей может быть использовано для избирательного улав­ ливания горячих аэрозольных частиц с помощью элек­ трического поля, а также при анализе их поведения в электрических полях, существующих в земной атмосфере и в производственных условиях.

Ядра конденсации и ультрадисперсные аэрозоли (свободные атомы]

[28] и ультрадисперсными аэрозолями [29]. При этом на ядрах конденсации — той фракции аэрозолей, с которой связана наибольшая поверхность аэрозольных частиц, — более или менее равномерно сосредоточены атомы всех этих короткоживущих изотопов, а в форме свободных атомов присутствуют в основном атомы RaA, непосред­ ственно образующиеся из ядер газообразного материн­ ского элемента — радона. Доля свободных атомов в значительной мере определяет уровень облучения верх­ них дыхательных путей, включая главные бронхи [30—32], и поэтому некоторые авторы рекомендуют обо­ гащать воздух ядрами конденсации при повышенных концентрациях радона [33].

1.2.КИНЕТИКА РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ

ВОРГАНАХ ДЫХАНИЯ

Изучение проникновения и задержки пылевых ча­ стиц в органах дыхания было начато задолго до появ­ ления научного интереса к радиоактивным аэрозолям [34—36], однако сумма современных представлений по этому вопросу главным образом основана на результа­ тах исследований, проведенных с радиоактивными части­ цами, ибо применение последних впервые открыло воз­ можность с большой точностью вести исследования по задержке аэрозолей в органах дыхания.

12

За последние годы значительно углубились представ­ ления о строении и функции органов дыхания, и в этом наряду с развитием электронномикроскопической тех­ ники важную роль сыграла необходимость получения уточненных данных для количественной оценки радиа­ ционной опасности аэрозолей с расчетом дозовых на­ грузок на отдельные клеточные и субклеточные струк­ туры.

Строение и функциональные характеристики органов дыхания

Схематическое строение органов дыхания человека показано на рис. 1.3. Основу органов дыхания состав­ ляют четыре тесно соединенные между собой и после­ довательно разветвляющиеся древовидные системы: воздухоносная, артериальная, венозная и лимфатиче­ ская.

Проникновение пылевых частиц и их задержка определяются структурой воздухоносной системы, в со­ став которой (рис. 1.4) входят дыхательные пути (гор­ тань, трахея, главные, долевые, сегментарные и субсег­ ментарные бронхи, концевые и дыхательные бронхиолы) и обильно снабженная кровеносными капиллярами ды­ хательная часть легких (альвеолярные ходы и альвео­ лы), где непосредственно осуществляется газообмен.

Разработан ряд математических моделей [37, 38, 46], в обобщенной форме характеризующих воздухоносную систему как сумму структурных элементов. В современ­

мерцательные клетки с ресничками, перемещающими ее по направлению к трахее; время перемещения слизи приведено в табл. 1.1. Такая структура присуща всему бронхиальному дереву, за исключением нижней 1/3 ды­ хательных бронхиол, где нет ресничек. Эти участки воздухоносных путей и вся поверхность дыхательной

няющихся между собой сетью капилляров, в значитель-

13

Рис. 1.4. Схематическое изображение и приблизительные размеры дыхательных путей.

Таблица 1.1

Характеристика структурных элементов дыхательных путей [39]

ной мере повторяет ветвление бронхиального дерева, каждому бронху обычно соответствуют одна артерия, по которой к дыхательной части поступает насыщенная углекислым газом кровь, и две вены, которые несут кровь, 'обогащенную кислородом. Бронхи и сопровож­ дающие их кровеносные сосуды окружены соединитель­ ной тканью, в которой размещена ветвящаяся анало-

Рис. 1.5. Схема строения бронхиаль­ ного эпителия:

1— базальная мембрана; 2 — бокаловид­

гичным образом лимфатическая система, состоящая из сосудов и лимфоузлов. Основное скопление лимфоузлов находится у корней легких, куда входят главные бронхи и крупные сосуды. Лимфа в легких движется по лимфа­ тическим сосудам от периферии к прикорневым узлам и оттуда через грудной проток поступает в венозную си­ стему.

В 1966 г. специально созданной в рамках Междуна­ родной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) проблемной группой по изучению динамики легких

(task grouponlung dynamics) предложена для использо­ вания в дозиметрических расчетах модель структуры лег­ ких и кинетики пылевых частиц в органах дыхания [41]. В основу этой упрощенной модели положен анализ мно­ гочисленных данных об осаждении и дальнейшей судь­ бе радиоактивных аэрозолей в органах дыхания челове­ ка и животных. Сюда включены, в частности, материа­

16

Функциональные показатели органов дыхания чело­ века имеют значительные индивидуальные колебания, продемонстрированные в исследованиях многих авто­ ров. Для дозиметрических расчетов недавно предложе­ ны средние характеристические значения, применимые для подавляющего большинства населения [43].

Осаждение аэрозольных частиц в воздухоносной системе органов дыхания

Современные оценки количественных закономерно­ стей, определяющих осаждение аэрозольных частиц в органах дыхания, основываются на учете ‘аэродинамиче­ ских свойств пыли, анатомической структуры и функ­ циональной характеристики-органов дыхания.

Свойства пыли зависят от распределения пылевых частиц по размерам и свойствам каждой отдельной ча­ стицы (плотности, формы, заряда), обусловливающих ее аэродинамический диаметр В модели проблемной группы МКРЗ по изучению динамики легких на осно­ вании исследований ряда авторов [5, 9, 44] принято обычно встречающееся логарифмически нормальное рас­ пределение пылевых частиц по размерам. При таком распределении совокупность пылевых частиц, образую­ щих аэрозоль, характеризуется величиной аэродинами­ ческого медианного диаметра dag и значением геомет­ рического стандартного отклонения ag.

Для функциональной характеристики органов дыха­ ния человека согласно той же модели приняты при по­ стоянной частоте дыхания 15 раз в минуту три значе­ ния дыхательного объема воздуха: 750, 1450 и 2150 см3\ максимальное значение, соответствующее интенсивной

лемной группы МКРЗ об осаждении пылевых частиц в трех отделах органов дыхания человека в зависимости от дисперсности частиц приведены на рис. 1.7 для усло­ вий средней физической нагрузки (дыхательный объем 1450 см3). Полосы на рисунке характеризуют разброс1

1 За аэродинамический диаметр принимают диаметр такой сфе­ рической частицы с плотностью 1 г/сж3, скорость оседания которой равна скорости оседания данной частицы.

18

показаний для пылевых частиц различных размеров, соответствующих стандартному геометрическому откло­ нению от 1,2 до 4,5. На рис. 1.8 показаны кривые, ха­ рактеризующие осаждение в органах дыхания человека наиболее тяжелого аэрозоля — Ри 02 [47].

Своеобразный характер приведенных кривых соответ­ ствует сложности соотношения между тремя основными механизмами, управляющими осаждением аэрозольных частиц в различных отделах органов дыхания, —■грави­ тационным отделением, инерционным прилипанием и диффузией. По мере приближения к легочному отделу роль первых двух процессов последовательно умень­ шается и мельчайшие пылевые частицы, которые про­ никли в легочные альвеолы с практически неподвижным воздухом, осаждаются в основном за счет диффузии. Диапазон изменения степени осаждения аэрозольных частиц при большей или меньшей интенсивности физиче­ ской нагрузки, чем приведенная на рис. 1.7 средняя ве­ личина (дыхательный объем 1450 см3), показан на рис. 1.9.

2* 19