2. Види іонізуючих випромінювань, основні поняття та одиниці вимірювання

Іонізуючі випромінювання – це такі випромінювання, взаємодія яких із нейтральним середовищем призводить до утворення в ньому електричних зарядів різних знаків. Всі види ІВ мають високу енергію і властивість руйнувати біологічні об’єкти. ІВ супроводжували великий вибух, з якого, як припускають вчені, близько 20 мільярдів років тому почалося існування нашого Всесвіту.

Відкриття ІВ пов’язане з ім’ям французького вченого А. Беккереля. У 1896 р. він виявив сліди випромінювань, залишених мінералом, що містив уран, на фотографічних пластинках. У 1898 р. Марія і П’єр Кюрі встановили, що після випромінювання уран послідовно перетворюється в інші елементи. Цей процес перетворення одних елементів в інші, який супроводжується іонізуючим випромінюванням, Марія Кюрі назвала радіоактивністю. Так була відкрита природна радіоактивність, якою володіють елементи з нестабільними ядрами.

Розрізняють корпускулярне та фотонне випромінювання:

корпускулярне – це потік елементарних часток із масою спокою, відмінною від нуля (альфа, бета, нейтронів, протонів), що утворюються при радіоактивному розпаді або генеруються на прискорювачах;

фотонне – це електромагнітні коливання, які поширюються у вакуумі зі швидкістю до 300 000 км/c (гама, рентгенівське і ультрафіолетове).

Кожний з видів ІВ має певну іонізуючу здатність.

Альфа-випромінювання () – це потік часток, що є ядрами атома гелію, які мають дві одиниці заряду. Таке випромінювання має велику іонізуючу здатність i незначну довжину пробігу часток у повітрі (10-11 см), у біологічних тканинах – від 30 до 40 мкм, воно безпечне при зовнішньому опроміненні, але найбільш небезпечне із всіх видів ІВ коли потрапляє усередину організму з їжею, водою, повітрям. Швидкість розповсюдження -часток в повітрі складає близько 20 000 км/с. Іонізуючий вплив -часток на організм людини в 20 раз більший, ніж у - і -випромінювання.

Бета-випромінювання () – це потік електронів або позитронів, які утворюються при розпаді ядер радіоактивних речовин і мають меншу іонізуючу та більшу проникаючу здатність у порівнянні з -випромінюванням. Пробіг у повітрі складає декілька метрів, у живих тканинах – від 1 до 2 см. Швидкість руху -часток знаходиться в інтервалі 200 000 – 300 000 км/с, вони затримуються одягом, віконним склом. При зовнішньому опроміненні відкритих ділянок тіла -частки затримуються в шкірному епітелії, викликаючи пігментацію і опіки шкіри. Особливу небезпеку -частки становлять при внутрішньому опроміненні організму.

Нейтронне випромінювання (n) – нейтральні елементарні частки. Оскільки нейтрони не мають електричного заряду, при проходженні через речовину вони взаємодіють тільки з ядрами атомів. У результаті цих процесів утворюються або заряджені частки (ядра віддачі, протони, нейтрони), або -випромінювання, що призводить до іонізації. Таке випромінювання має місце тільки при штучно викликаному радіоактивному розпаді і є дуже небезпечним як при зовнішньому, так і при внутрішньому опроміненні. Нейтрони мають високу проникаючу здатність і меншу іонізуючу, ніж -частки.

Гама-випромінювання () – спостерігається при ядерних перетвореннях і являє електромагнітне випромінювання з короткою довжиною хвилі, малою іонізуючою дією, дуже високою проникаючою здатністю (у повітрі – на сотні метрів, речовини та біологічні тканини проходить наскрізь), є дуже небезпечним як при внутрішньому, так і при зовнішньому опроміненні.

Рентгенівське випромінювання є близьким за своїми характеристиками до -випромінювання, але має більшу довжину і нижчу частоту.

Величина дії іонізуючого випромінювання на будь-яке середовище залежить від його енергетики та характеризується наступними критеріями і одиницями вимірювання:

• вид ІВ – корпускулярне (частки), або фотонне (потік електромагнітних коливань);

• активність – кількість розпадів ядер атомів за одну секунду в радіоактивному зразку. Одиниця вимірювання в системі СІ – беккерель (Бк), тобто одне ядерне перетворення в секунду (розпад/с). Позасистемною одиницею вимірювання активності є кюрі (Кі), 1 Кі=3,7∙10¹⁰ Бк;

• період напіврозпаду радіоактивної речовини Т_1/2 – час, за який розпадається половина ядер даного радіонукліда. Для радону Т_1/2=3,8 діб, для йоду-131 Т_1/2=8,05 діб, для стронцію-90 Т_1/2=26 років, для урану-235 Т_1/2=710 млн. років.

• дози опромінення (характеризують вражаючу дію ІВ).

Доза опромінення – це кількість енергії ІВ, поглинена одиницею маси опромінюваного середовища. Розрізняють експозиційну, поглинену, еквівалентну та ефективну еквівалентну дози опромінення.

Експозиційна доза (D_експ) – характеризує іонізуючу здатність випромінювання у повітрі, її одиницею вимірювання у системі СІ є кулон на кілограм (Кл/кг). Позасистемна одиниця вимірювання – рентген (Р), 1Р=2,58∙10^-4 Кл/кг, 1 Кл/кг=3,88∙10³ 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.

Поглинена доза (D_п) – енергія ІВ, поглинена опроміненим тілом, або тканинами організму конкретного виду ІВ, яка перерахована на одиницю маси тіла, одиницею її вимірювання у системі СІ є грей (Гр).

Грей – одиниця поглиненої дози, при якій 1 кг опроміненої речовини поглинає енергію ІВ в 1 Джоуль (Дж). Позасистемна одиниця вимірювання поглиненої дози – рад, 1 Гр=100 рад=1 Дж/кг, 1 рад=0,01 Гр=0,01 Дж/кг, 1 Р=0,87 рад.

Дозиметричні одиниці Гр і рад використовуються для вимірювання за допомогою дозиметричних приладів випромінювань у різних середовищах.

Еквівалентна (біологічна) доза опромінення (D_ек) – це міра біологічного впливу випромінювання на людину, яка визначається поглиненою організмом в цілому або органом (тканиною) дозою (D_п), помноженою на коефіцієнт W_R, що характеризує конкретний вид випромінювання (див. табл. 1):

D_ек=D_п∙W_R, (Зв). (1)

Одиницею вимірювання, еквівалентної дози опромінення в системі СІ є зіверт (Зв), на честь шведського радіолога Рольфа Зіверта.

Зиверт – еквівалентна доза будь-якого виду випромінювання, поглинена в 1 кг біологічної тканині, що створює такий же біологічний ефект, як і поглинена доза в 1 Гр фотонного випромінювання.

Позасистемною одиницею є бер (біологічний еквівалент рада), 1 Зв=100 бер=1 Гр, 1 бер=0,01 Зв=0,01 Дж/кг.

Бер – енергія будь-якого виду випромінювання, поглинена в 1 г тканині, при якій спостерігається той же біологічний ефект, що і при поглиненій дозі в 1 рад фотонного випромінювання.

Еквівалентна доза є основною дозиметричною величиною у галузі радіаційної безпеки.

Для визначення рівня ризику виникнення наслідків опромінення всього тіла людини та окремих його органів з урахуванням їхньої радіочутливості використовується ефективна еквівалентна доза.

Ефективна еквівалентна доза (D_еф) організму – це сума добутків еквівалентної дози (D_ек) в органах (тканинах) організму помножена на відповідний ваговий коефіцієнт W_т ризику ІВ для цих органів або тканин (див. табл. 2):

D_еф=∑D_ек∙W_т, (Зв). (2)

Таблиця 1

Коефіцієнт відносної біологічної ефективності W_R

для розрахунку еквівалентної дози D_ек

Вид випромінювання	WR, Зв/Гр
Фотони будь-яких енергій (-випромінювання)	1
Електрони будь-яких енергій, -частки	1
Нейтрони з енергією:
менш 10 кеВ	5
від 10 кеВ до 100 кеВ	10
від 100 кеВ до 2 МеВ	20
від 2 МеВ до 20 МеВ	10
більше 20 МеВ	5
Середнє значення для нейтронів	10
-частки	20
Осколки поділу	20
Важкі ядра	20

Таблиця 2

Ваговий коефіцієнт ризику тканин (органів) W_т

для розрахунку ефективної еквівалентної дози D_еф

Тканини (органи) людини	WТ
Гонади	0,20
Червоний кістковий мозок	0,12
Товстий кишечник	0,12
Легені	0,12
Шлунок	0,12
Сечовий міхур	0,05
Грудні залози	0,05
Печінка	0,05
Стравохід	0,05
Щитовидна залоза	0,05
Шкіра	0,01
Клітки кісткових поверхонь	0,01
Інше*	0,05
Організм у цілому	1,00

Примітки. 1. * «Інше» включає до себе надниркові залози, головний мозок, екстракторокальний відділ органів дихання, тонкий кишечник, нирки, м’язові тканини, підшлункову залозу, селезінку, виделкову залозу, матку.

2. Вагові коефіцієнти ризику тканин (органів) W_т встановлюють емпірично та розраховують таким чином, щоб їхня сума для всього організму складала 1.