Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
опасно многократное облучение долями суммарной дозы и еще
менее опасно местное облучение, если этот орган или система относятся к группе с низкой радиочувствительностью.
Кроме того, при внешнем облучении организма различают ос-
трое и пролонгированное, однократное и многократное (фракционированное) облучения.
Под острым облучением понимают кратковременное облучение при высокой мощности дозы (децигрей в минуту и выше), под
пролонгированным облучением — облучение при низкой мощности
дозы (доли грея в час и ниже). Как острое, так и пролонгированное
облучения могут быть однократными и многократными (фракцио-
нированными). Отдельно выделяют хроническое облучение, которое
можно рассматривать как разновидность фракционированного
облучения, но проводящегося очень длительно и в малых дозах.
Внутреннее облучения происходит от источников излучения,
попавших в организм — инкорпорированных радионуклидов. Степень поражения критических органов и организма в целом при
внутреннем облучении намного более высокая, чем при общем
внешнем облучении, и зависит от количества попавших в организм радионуклидов, их распределения по органам и системам,
времени нахождения в организме и скорости выведения.
17.2. Пути поступления радионуклидов в организм
Основными способами поступления инкорпорированных радионуклидов выступают:
– пероральный способ — через органы пищеварения, главным
образом, через желудочно-кишечный тракт вместе с продуктами
питания (до 90%), питьевой водой (5–8%);
– ингаляционный способ — через органы дыхания в виде аэрозо-
лей с вдыхаемым воздухом (2–5%);
– поверхностный способ — через кожные покровы.
При пероральном попадании радионуклидов в организм они
некоторое время находятся в желудочно-кишечном тракте, после
поступают в кровь, а затем накапливаются в отдельных органах
и тканях в зависимости от типа радиоактивного изотопа. Радиотоксичность инкорпорированных радионуклидов в значительной
мере определяется степенью их резорбции в желудочно-кишечном тракте.
Радиоактивные частицы, проникшие в дыхательные пути вместе с воздухом, оседают в легких. Доля радионуклида, задержанная
171
в дыхательной системе, зависит от размера частиц, минутного
объема и частоты дыхания. Дальнейшая судьба отложившихся
в дыхательных путях радионуклидов также связана с размерами
радиоактивных частиц, их физико-химическими свойствами и
транспортабельностью в организме. Хорошо растворимые вещества достаточно быстро резорбируются в кровеносное русло, а затем
в процессе обмена веществ откладываются в определенных органах
и системах организма или выводятся. Определенная их часть выводится при выдохе или со слизью. Радиоактивные частицы, осевшие
в альвеолярной части легочной ткани, либо захватываются фагоцитами и удаляются, либо мигрируют в лимфатические узлы, освобождаясь из них в течение нескольких месяцев или лет.
Менее эффективным, чем пероральный, оказывается способ
поступления радионуклидов в организм через кожу: в 200–300
раз степень поступления ниже, чем через желудочно-кишечный
тракт. Правда, проницаемость кожи резко увеличивается при наличии трещин, царапин, ссадин, воздействии многих химически
активных веществ, например обезжиривающих растворителей,
особенно при повреждении рогового слоя эпидермиса, играющего главную роль в барьерной функции кожи. Значительное влияние на интенсивность подкожного поглощения радионуклидов
оказывают температура и влажность окружающей среды.
Различные другие пути введения радионуклидов (подкожный,
внутривенный, внутрибрюшинный) реализуются в эксперименте
или при комбинированных поражениях.
17.3. Распределение радионуклидов в организме
Знание закономерностей перемещения и депонирования инкорпорированных радионуклидов чрезвычайно важно для радиохимической и радиоэкологической экспертиз с целью оценки
допустимости потребления продуктов в критической обстановке,
для медицинской клиники, поскольку дает ключ к пониманию
преимущественного лучевого поражения тех или иных органов.
Судьба поступивших в организм радионуклидов зависит от
их физико-химических свойств: одни в виде растворов удаляются из организма через органы выведения, другие задерживаются
в организме. Соединения радиоактивных и стабильных изотопов
каждого элемента химически однотипны, и в силу этого они распределяются в организме сходным образом. Основными типами
распределения инкорпорированных радионуклидов выступают:
172
– cкелетный тип распределения — накопление в минеральной
части скелета (щелочноземельные Ca, Sr, Ba, Ra; трансурановые
элементы);
– ретикуло-эндотелиальное распределение — органное распре-
деление в ретикулярной и эндотелиальной тканях органов: печени, щитовидной железе, легких и др. (Се, Рr, Рm; Zn, Th, Am,
трансурановые элементы);
– диффузное распределение — равномерно по всему организму
(К, Na, Cs, Rb, Н, N, С, Ро).
Первые два типа распределения или органотропное распреде-
ление радионуклидов более опасно, чем диффузное, так как их
концентрация в тканях, а следовательно, и тканевые дозы облучения при прочих равных условиях будут значительно больше.
Кроме того, необходимо учитывать не только вышеуказанные
типы макрораспределения, но и особенности микрораспределения радионуклидов в пределах самих органов, тканей. В частности, некоторые радионуклидные элементы (Sr; Ra) накапливаются
преимущественно в растущих областях костной ткани (метафизах, эпифизах и под надкостницей диафиза трубчатых костей),
при этом и там они распределяются также неравномерно, образуя
так называемые «горячие точки». Аналогичные неоднородности
в распределении отмечены и для других элементов: плутония и
тория – в легких, скелете, печени; йода – в щитовидной железе.
Значительная неравномерность отложения заметна в органах, состоящих из функционально различных частей: Се
144
депонируется
в корковом слое почек в большей степени, чем в мозговом.
Лучевое поражение от инкорпорированных радионуклидов
резко повышается, если критический орган мал: даже небольшое
количество радионуклида, попавшего в критический орган, приведет к формированию высокой поглощенной дозы и критическим последствиям. Классическим примером органов такого рода
является щитовидная железа. Ее насыщение I
131
при продолжительном поступлении с пищевыми продуктами наступает достаточно быстро на фоне до 30% депонируемого I
131
от всего поступившего количества. При этом в других органах радионуклид откладывается мало — в концентрациях, уступающих критическому
органу на 1–2 порядка.
Первоначальная концентрация радионуклида в биологических
жидкостях (кровь и лимфа) зависит от дозы инкорпорированного
радионуклида, скорости его резорбции, темпа депонирования в
тканях и органах, скорости выведения из организма. Начальный
173
тип распределения и концентрация радионуклида может со временем значительно измениться. Одни органы, энергично депонируя радионуклиды, насыщаются и задерживают их на длительный
срок, другие отдают их сравнительно быстро, третьи депонируют
медленно. По этой причине относительная концентрация радионуклидов в органах имеет волнообразный характер изменений.
Особый тип перераспределения радионуклида в организме возможен в тех случаях, когда выведение его происходит медленно,
а дочерний продукт радиоактивного распада тоже радиоактивен
и имеет иную тропность. Так, например, депонированный в скелете Sr
90
постепенно превращается в Y90, который откладывается
не только в местах резорбции и роста костной ткани, но также в
печени, селезенке и почках.
Уровень депонирования определяется концентрацией радионуклида в носителе. Чем больше концентрация радионуклида
в носителе, тем сильнее токсичность радионуклида вследствие
большей его сорбции организмом. Добавление весовых количеств
изотопного носителя к радиоизотопу обычно значительно замедляет процесс всасывания последнего или уменьшает его депонирование, причем такое действие проявляется, если носитель вводится за несколько дней до радионуклида. Например, введение
стабильного КI на 50% снижает последующее депонирование I
131
в щитовидной железе.
Распределение инкорпорированных радионуклидов зависит
и от конкурентных взаимоотношений с рядом неизотопных носителей. Классическим примером взаимовлияния на уровень депонирования выступают взаимоотношения Са и Sr, К и Cs, Fe и
Pu. Организм человека прежде всего усваивает калий, кальций и
железо, а при их дефиците — их радиоактивные конкуренты. Поэтому предварительное насыщение организма нерадиоактивным
элементом существенно снижает степень депонирования радионуклида и представляет собой один из способов радиационной
безопасности организма.
В отношении видовой специфичности распределения инкорпорированных радионуклидов не выявлено существенной зависимости. Отсутствует и коррелирование от функциональной нагруженности органа.
174
17.4. Выведение радионуклидов из организма
После инкорпорирования радионуклиды задерживаются в организме на различные сроки. При этом некоторые долгоживущие
радионуклиды, образуя различные соединения, очень прочно и
надолго связываются с тканями и органами и поэтому медленно
покидают организм. Периоды полувыведения радионуклидов из
критических тканей и органов могут составлять от десятков суток
3
(Н
, С14, Na24) до бесконечности (полное усвоение Sr90, Pu
долгоживущих радионуклидов эффективный период полувыведения практически зависит только от биологического периода полувыведения, а для короткоживущих — главным образом, от скорости физического распада (табл. 4).
Величина эффективного периода полувыведения зависит от
многих факторов, из которых некоторые изучены еще весьма
недостаточно. К этим факторам относятся физико-химические
особенности и количество введенного радионуклида, тип и особенности распределения и депонирования в организме, функциональное состояние систем организма, регулирующих процессы выведения, вид биологического объекта, его возраст, а также
срок, прошедший с момента первого поступления радионуклида
Периоды полураспада и полувыведения некоторых радионуклидов из организма
человека (по В.Ф. Козлову, 1987)
239
). Для
Таблица 4
Радионуклид
3
Н
14
С
24
Na
32
Р
40
К
90
Sr
131
I
137
Cs
210
Ро
226
Ra
239
Pu
Место
накопления
Все тело 12,3 года 12 суток
Все тело
Кости
Все тело 15 часов 11 суток
Все тело
Кости
Все тело 11,4 часа 58 суток
Кости 28,5 лет 49,3 года
Все тело
Щитовидная железа
Все тело 30 лет 70 суток
Все тело 138,4 суток 30 суток
Кости 1602 года 44,9 лет
Кости 2,4·104 лет 200 лет
Период
полураспада
5730 лет 10 суток
14,3 суток 257 суток
8,08 суток 138 суток
Период
полувыведения
40 суток
1155 суток
138 суток
175
в организм. Сам же эффективный период полувыведения определяет дозу, которую получит орган, а от дозы зависят лучевые последствия для всего организма:
D = 73 · E · A · T
· [1 – exp(–0,693е/Tэф)],
эф
где Е — средняя энергия ионизирующих частиц, МэВ; А — удельная активность, мкКu/кг.
Основными выводящими системами организма являются желудочно-кишечный тракт, легкие, кожа и почки.
Основным способом выведения радионуклидов, плохо резорбируемых желудочно-кишечным трактом, служит экскреторная
активность кишечной стенки, а для хорошо резорбируемых — почечная абсорбция. Некоторые радионуклиды выделяются с секретом слюнных желез или печенью и, в таком случае, попав в
просвет желудочно-кишечного тракта, могут вновь всасываться.
У лактирующих животных органом выведения радионуклидов,
кроме того, служит молочная железа, а у беременных — плацента,
через которую некоторая их часть может попасть в плод. Плацента
проницаема для многих элементов в обоих направлениях, исключение составляют соединения железа, которые следуют только от
матери к плоду. В отношении йода плацента проницаема преимущественно в сторону плода: в плазме новорожденного концентра-
131
ция I
в 5–10 раз выше, чем у матери.
Остеотропные радионуклиды медленнее выводятся из организма, диффузные же убывают равномерно из всех тканей, выходят в
кровь и преимущественно выводятся почками, а гепатотропные
экскретируются с желчью. Темпы выведения могут определяться
и составом пищевого рациона. Но, в первую очередь, на скорость
выведения радионуклидов из организма влияют их физико-химические свойства. Изотопы элементов с большим атомным номером задерживаются дольше других потому, что легко соединяются с молекулами белка и слабо проходят через полупроницаемые
биологические мембраны. Медленно выводятся радионуклиды,
образующие в организме коллоиды, за счет того, что нерастворимые коллоидные гидроокиси радионуклидов захватываются клетками ретикуло-эндотелиальной системы и длительно ими удерживаются.
Влияние типа распределения и депонирования радионуклида
на пути и темпы его выведения многообразно и требует еще дальнейших исследований. Скорость выведения радионуклида из ор-
176
ганизма возрастает с возрастом. Убыль содержания радионуклидов в организме происходит не только благодаря их выведению,
но одновременно также и за счет процессов их радиоактивного
распада.
17.5. Биологическое действие радионуклидов
Эффекты инкорпорированных радионуклидов зависят:
– от способности к равномерному или неравномерному (избира-
тельному) накоплению в критическом органе;
– от продолжительности действия радионуклида;
– от химических свойств соединений, в составе которых радио-
нуклид попадает в организм;
– от вида излучения и его энергии.
О первых трех факторах уже упоминалось выше. Несколько остановимся на последнем. При внутреннем облучении за счет инкорпорированных радионуклидов поражающее действие ионизирующих излучений прямо пропорционально энергии частиц или
квантов, т. е. протяженности пробега или линейной потери энергии. Чем выше энергия ионизирующих частиц и короче пробег,
тем выше плотность ионизации, вызываемая ими в облучаемой
ткани. Последняя велика у α-частиц, меньше у β-частиц и мала
у γ-квантов. Протяженность пробега различных ионизирующих
частиц также не одинакова и различна в тканях разной плотности. Например, максимальный пробег β-частиц Sr
0,8 мм, в костном мозге — 1,4 мм, а его дочернего продукта Y
4,3 и 7,8 мм соответственно.
В отличие от внешнего облучения, которое может быть ослаблено или прекращено удалением от источника облучения, внутреннее облучение инкорпорированными радионуклидами продолжается длительно и непрерывно. Количество радионуклида
убывает в организме вследствие суммации двух одновременно
протекающих, но не зависимых и не связанных между собой процессов — радиоактивного распада и биологического выведения.
Роль этих факторов не однозначна для коротко- и долгоживущих
радионуклидов. Поэтому одним из критериев биологической
опасности инкорпорированного радионуклида служит длительность его периода полураспада. Если он очень мал или, наоборот, очень велик, то радионуклид малоопасен, первый – потому
что распадается, не успев поступить в живой организм, а последний — из-за ничтожно малой активности.
90
в кости равен
90
—
177
Пороговость действия инкорпорированных радионуклидов
еще весьма спорна. В этом убеждает применение более чувствительных тестов, чем гемограмма. Ослабить тяжесть последствий,
вызванных попаданием инкорпорированных радионуклидов,
можно, если снизить кишечную резорбцию радионуклида, а позже — ускорить его выведение. К сожалению, подобные рекомендации пока трудно выполнимы. В последние годы ведутся поиски
химических средств, способных сорбировать поступившие в организм радионуклиды. Сорбенты тем эффективнее, чем раньше
они поступают в организм вслед за поступившим радионуклидом. Наиболее эффективными сорбентами являются динатрийфосфат Na
(5%-ная суспензия), сульфат магния МgSO
НРO4 (12,5%-ный раствор), трикалий фосфат К3РO4
2
и др. Соединения их
4
с инкорпорированными радионуклидами уже не резорбируются
желудочно-кишечным трактом. Одним из недостатков выступает
необходимость их применения непосредственно сразу же после
поступления радионуклидов. Если радионуклид уже резорбирован, но еще циркулирует в крови, то некоторый эффект перехвата
дает применение цитрата натрия или цитрата циркония. Когда же
радионуклиды уже депонированы в органах, то для удаления их
оттуда и выведения применяют комплексоны, то есть химические
соединения, сами не участвующие в обмене веществ, но образующие с радионуклидами устойчивые и нерастворимые комплексы,
способные без разложения выделяться через почечный барьер.
Комплексоны ускоряют выведение таких слабо резорбируемых в
кишечнике радионуклидов, как Y
90
тивны в отношении Sr
и Сs
137
.
91
, Zr95 и Се
144
, но мало эффек-
18. ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ
18.1. Общее понятие о дозиметрии и радиометрии
Дозиметрия представляет самостоятельный раздел прикладной
ядерной физики, который рассматривает свойства ионизирующих
излучений, физические величины, характеризующие взаимодействие
их со средой, а также расчетные и экспериментальные методы и
средства для измерения этих величин.
Ведущую задачу дозиметрии составляет определение дозы
излучения в различных средах и особенно в тканях живого ор-
178
ганизма. Дозиметрические данные чрезвычайно важны для количественной и качественной оценки эффектов ионизирующих
излучений при внешнем и внутреннем облучении организма, для
выявления и предупреждений возможной лучевой опасности для
человека. Без знания дозиметрических параметров нельзя обеспечить безопасность работы при контакте с источниками ионизирующих излучений.
Радиометрия — раздел прикладной ядерной физики, предметом
которого является теория и практика измерения актив ности радиоактивных источников и идентификация изотопов по испускаемому излучению.
Иногда радиометрию рассматривают как составную часть дозиметрии, поскольку последняя использует методы радиометрии
для определения доз излучения. Ниже будут изложены элементарные теоретические предпосылки и основные методы регистрации ионизирующих излучений (α-, β- и γ-излучений) и описаны
принципы измерения и расчета доз. Устройство и работа дозиметрических и радиометрических приборов описываются без технических подробностей, поскольку каждый прибор поступает в продажу с техническим описанием и инструкцией. Более подробные
сведения такого рода можно найти в специальных практических
пособиях.
18.2. Основные дозиметрические единицы
Биологический эффект при прочих равных обстоятельствах
прежде всего определяется количеством поглощенной энергии на
единицу массы, т. е. дозой облучения.
Доза облучения — часть энергии ионизирующего излучения, которая расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул
любого облученного объекта.
Представление о количестве падающей на объект энергии излучения за время облучения может быть получено измерением эк-
спозиционной дозы (X).
Экспозиционная доза — выражается суммарным электрическим
зарядом ионов одного знака, образованных излучением в некотором
объеме воздуха в условиях электрического равновесия.
Единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм
(Кл/кг) — характеризует экспозиционную дозу, при которой со-
пряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия на 1 кг
сухого воздуха образует 1 Кл электричества каждого знака. Вне-
179
системной единицей выступает Рентген (Р) — характеризует дозу
3
фотонного излучения, при прохождении которого через 1 см
су-
хого воздуха при стандартных условиях, в результате сопряжен-
9
ной с этим излучением корпускулярной эмиссией (2,08 · 10
ионов) образуется электрический заряд, равный 3,34 · 10
–10
пар
Кл
каждого знака.
Экспозиционная доза позволяет лишь ориентировочно оценивать степень облучения объекта, используется только для характеристики фотонного и рентгеновского излучений и определяется
по формуле:
dQ
X
= ,
dm
где dQ — полный заряд ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, образованных фотонами в малом объеме воздуха; dт — масса воздуха
в этом объеме.
В настоящее время согласно РД 50-454-84 понятие «экспозиционная доза» подлежит изъятию из употребления, однако многие дозиметрические приборы используют при градуировке данные единицы измерения.
После открытия видов корпускулярного излучения использование экспозиционной дозы стало невозможным в силу различий
в степени ионизации в воздухе и облучаемых веществах. Поэтому
была введена новая универсальная характеристика — поглощенная
доза излучения. Единицей поглощенной дозы является грей (Гр)
(1 Гр = 1 Дж/кг). Внесистемной единицей выступает рад (рад).
Поглощенная доза (D) — величина энергии ионизирующего излучения любого вида (dE), переданная на единицу массы любого вещества (dm):
dE
D
= ,
dm
где dE — средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm — масса
вещества в этом объеме.
Поскольку поглощенная доза накапливается во времени, то
используется такое понятие как мощность дозы. Единицы измерения мощности дозы — Гр/с, Гр/ч, рад/с, рад/ч и т.д.
Под мощностью любой дозы понимают количество энергий излучения, поглощаемое в единицу времени (1 ч, 1 мин, 1 с) единицей
массы вещества.
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]