2.10. Захист від іонізуючих випромінювань

2.10.1. Загальні положення

Радіоактивність та супутнє їй іонізуюче випромінювання існували на Землі завжди. У біосфері існують 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 золі, яка 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.

Останні дослідження показали, що значна частина природного опромінювання припадає на газ радон, якій утворюється при розпаді урану та торію і виділяється з породи (граніт, пемза), будівничих 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, на Україні більше 40% електроенергії видобувається на атомних електростанціях (АЕС). В той же час, усі компоненти ядерного паливного циклу створюють значну радіаційну проблему (добивання та збагачення урану, його транспортування, спалювання уранового палива та зберігання відходів). Особливо катастрофічні наслідки аварій на таких об’єктах як для окремого регіону чи країни,так і усієї біосфери Землі. Приміром такої катастрофи є аварія на Чорнобильській АЕС в 1986 р.

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 0,4мЗв на рік, що складає 20% від фонового опромінювання. В промисловості та науці джерелами іонізуючого випромінювання є установки рентгеноструктурного аналізу, радіаційні дефектоскопи, товщиноміри, високовольтні електровакуумні приладі і т. ін. Таким чином людина підпадає під вплив дії іонізуючих випромінювань різноманітних джерел і тому питання захисту від них (чи радіаційна безпека) перетворюються в одну з найважливіших проблем сучасності.

2.10.2. Основні поняття і характеристики іонізуючих випромінювань

Іонізуюче випромінювання — випромінювання, взаємодія якого з середовищем призводить до утворення в останньому електричних зарядів різних знаків, тобто до іонізації цього середовища. Джерелами радіоактивних випромінювань можуть бути радіоактивні речовини і деякі електронно-променеві прилади.

Радіоактивність — самовільне перетворення (розпад) атомних ядер деяких хімічних елементів (урану, торію, радію та ін.), що приводить до зміни їхнього атомного номера і масового числа. Такі елементи називаються радіоактивними. При іх розпаді утворюються різні частки або електромагнітне випромінювання, яке здатне іонізувати середовище. 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 (2.76)

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

Цей процес також може бути описаний формулою:

N_t = N_o (-λt) (2.77)

де N_t і N_o — число радіоактивних ядер в початковий момент та через період часу t відповідно.

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

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

У дозиметрії застосовуються питома активність Ат (Бк/кг), об'ємна Аv (Бк/м³) і поверхнева Аs (Бк/м²) активності джерел.

Постійна розпаду  зв'язана з періодом напіврозпаду Т_{1\2 ,} тобто періодом за який кількість активних ядер змішує у двічі співвідношенням:

Т_1\2=0,693\ (2.78)

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

У результаті радіоактивних перетворень виникають різні частки —  (альфа),  (бета), n (нейтрони ), фотони — (гама), R (рентгенівські) та ін., які мають різні енергетичні параметри і здатність іонізувати середовище.

 — 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.

 — випромінювання — потік негативно заряджених часток (електронів) або позитивних (позитронів), що утворюються при розпаді ядер або нестійких часток. Питомий пробіг -часток у повітрі складає приблизно 3,8м/МеВ. Іонізуюча здатність - часток на два порядки нижче α – часток.

 — випромінювання являють 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 (фотонне) випромінювання, яке утворюється при змінах енергетичного стану електронних оболонок атома. Гамма та рентгенівські випромінювання мають невелику іонізуючу дію, але дуже велику проникаючу здатність. Основні характеристики іонізуючих випромінювань подані у таблиці 2.31.

Таблиця 2.31

Основні характеристики іонізуючих випромінювань

Вид випро-мінювань	Фізична природа	Швидкість розповсюдження, км/с	Енергія випромінювань, МеВ	Глибина проникнення		Іонізуюча здібність, пар іонів на 1 мм пробігу в повітрі
				Повітря	Біологічна тканина
Альфа (α)	Ядра гелію Не+	20000	1,83-11,65	2,5-11 см	30-130 мкм	1000-000
Бета (β)	Електрони, позитрони	290000	0,005-8,0	0,002-34 м	0,002-41,3 мм	30-50
Гамма (γ)	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 ).

Іонізуючі випромінювання, проходячи через речовини, взаємодіють з їхніми атомами і молекулами. 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 витрачується 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.

Розповсюдження випромінювання у речовині може бути охарактеризовано поняттям “шар половинного ослаблення” – тобто товщина шару певної речовини, при проходженні через який інтенсивність випромінювання послаблюється у два рази. Таким чином можна визначити необхідну кількість шарів половинного ослаблення n для зменшення інтенсивності випромінювання в к разів:

К = 2ⁿ ; n = 3,322 lg К (2.79.)

Ступінь, глибина і форма променевих уражень, що розвиваються в тканинах біологічних об'єктів при впливі на них іонізуючого випромінювання, у першу чергу залежать від величини поглиненої енергії випромінювання. Для характеристики цього показника використовується, поняття поглиненої дози (D_погл) , тобто енергії поглиненою одиницею маси речовини, що опромінюється.

D_погл = dЕ /dm (2.80)

де dЕ — середня енергія, що передана іонізуючим випромінюванням речовині у елементарному об’ємі, dm — елементарний об’єм маси речовини.

За одиницю поглиненої дози опромінення приймається джоуль на кілограм (Дж/кг) — Грей (Гр). Грей — поглинена доза випромінювання, це енергія в 1Дж будь-якого іонізуючого випромінювання, яка передана одному кілограму речовини, що опромінюється. У радіобіології і радіаційній гігієні широке застосування одержала позасистемна одиниця поглиненої дози — рад. Рад — це така поглинена доза, при якій кількість поглиненої енергії в 1 г будь-якої речовини складає 100 ерг незалежно від виду і енергії випромінювання, 1 рад = 0,01 Гр.

Для характеристики дози по ефекту іонізації, викликуваному в повітрі, використовується так називана експозиційна доза( D_эксп) рентгенівського - випромінювань — кількісна характеристика рентгенівського і -випромінювань, заснована на їхній іонізуючій дії і виражена сумарним електричним зарядом іонів одного знака, утворених в одиниці об'єму повітря в умовах електронної рівноваги.

D_эксп = dQ/dm (2.81)

де dQ — прирощення сумарного заряду усіх іонів одного знаку, які були утворювані у елементарному об’ємі повітря, dm — маса елементарного об’єму повітря.

За одиницю експозиційної дози рентгенівського і  — випромінювань приймається кулон на кілограм (Кл/кг).

Кулон на кілограм — експозиційна доза рентгенівського (R) або гамма () — випромінювань, при якій сполучена з цим випромінюванням корпускулярна емісія на кілограм сухого атмосферного повітря робить у повітрі іони, що несуть заряд у 1 Кл електрики кожного знака.

Позасистемною одиницею експозиційної дози рентгенівського (R) і гамма () — випромінювань є рентген (Р).

Рентген-одиниця експозиційної дози фотонного випромінювання, при проходженні якого через 0,001293 г повітря в результаті завершення всіх іонізаційних процесів у повітрі створюються іони, що несуть одну електростатичну одиницю кількості електрики кожного знака. Помітимо, що 0,001293 г - маса 1 см³ сухого атмосферного повітря при нормальних умовах [температура 20^оС і тиск 1013 мПа (1 атм фізична чи 760 мм рт. ст.)], у якій відбуваються первинні процеси взаємодії фотонів з повітрям. По визначенню, 1 Р відповідає заряд 1 СГСЭ = nq, де n — число іонів, q-заряд іона (q = 4,8 10^-10 СГСЭ).

Таким чином, для одержання експозиційної дози в 1 Р потрібно, щоб витрачена на іонізацію в 1 см³ (чи в 1 г) повітря енергія була відповідно рівна 1Р = 0,114 ерг/см³ = 87,7 ерг/г.

Величини 0,114 ерг/см³ і 87,7 ерг/г прийнято називати енергетичними еквівалентами рентгена. Співвідношення між поглиненою дозою випромінювання, вираженої в радах, і експозиційною дозою рентгенівського і -випромінювань, вираженої в рентгенах, для повітря має вид

D_эксп =0,877D_погл (2.82)

Поглинена чи експозиційна дози випромінювань, віднесені до одиниці часу, називаються потужністю дози (Р) відповідно поглиненої чи експозиційної. Вона характеризує швидкість нагромадження дози і може чи збільшуватися чи зменшуватися згодом.

Якщо за деякий проміжок часу dt збільшення дози дорівнює dD, то середнє значення потужності дози:

Р = dD/dt (2.83)

Вивчення процесів взаємодії випромінювань з речовиною необхідно для розуміння принципів дії дозиметричної і радіометричної апаратури і фізики захисту від випромінювань.

Різні види іонізуючих випромінювань справляють неоднакові біологічні дії. Для оцінки біологічної дії різних видів іонізуючого випромінювання нормативами (НРБУ — 97) 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  — випромінювання W_R складає 20, для - випромінювання 1 і нейтронного випромінювання – 5-20.

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

Н= D_погл  W_R (2.84)

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

При однакових еквівалентних дозах ступень 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 виразом:

Е = Σ Н_Т  W_Т (2.85)

де Н_{Т —} еквівалентна доза в тканині чи органі, W_Т – тканинний зважуючий фактор, якій характеризує відносний стохастичний ризик опромінювання окремих тканин (W_Т для гонад – 0,2; для червоного кісткового мозку, кишечнику, легень – 0,12; для більшості внутрішніх органів – 0,05; для шкіри поверхні кістки – 0,01).