Іонізуючі випромінювання.

Назва "іонізуючі випромінювання" (ІВ) об’єднує різні за своєю фізич­ною природою види випромінювань. Схожість між ними полягає у тому, що всі вони відзначаються високою енергією, реалізують свою біологічну дію через ефекти іонізації та наступний розвиток хімічних реакцій у біологічних структурах клітини, які можуть призвести до її загибелі.

ІВ не сприймається нашими органами по­чуттів: людина не бачить його, не чує та не відчував його вплив на тіло.

Іонізуюче випромінювання існувало на Землі задовго до появи люди­ни, а також було у Космосі ще до появи Землі. Проте його вплив на ор­ганізм був виявлений тільки наприкінці ХІХ сторіччя.

У 1896 році французький вчений Анрі Бекерель поклав кілька фо­тографічних платівок до ящика столу, прикрив їх шматками мінералу, який містив уран. Коли він проявив платівки, то виявив на них сліди якихось випромінювань. Цим явищем зацікавилася Марія Кюрі, полька за походжен­ням. У 1898 році вона та її чоловік П’єр Кюрі виявили, що випроміню­вання урану пов'язано з його перетворенням на інші елементи. Вони наз­вали один з елементів полонієм, другий - радієм (по латині - випускаю­чий промені). Так з’явилося поняття "радіоактивність".

Відкриття Бекереля та до слідження Кюрі були підготовлені працями Вільгельма Рентгена, який у 1879 році відкрив Х-промені, що були наз­вані у подальшому рентгенівськими.

Класифікація іонізуючих випромінювань (рис. 3.1.)

Іонізуючі випромінювання

Корпускулярні:

- випромінювання

- випромінювання

Потоки частинок

Електромагнітні:

- випромінювання

Рентгенівське

Ультрафіолетове

Рис. 3.1. Класифікація іонізуючих випромінювань

Бекерель першим встановив небезпечні властивості радіоактивного випромінювання. Він поклав пробірку з радієм у кишеню і дістав опік шкіри. Марія Кюрі померла від раку крові внаслідок впливу радіації.

Іонізуючим називають квантове (електромагнітне) та корпускулярне (що складається з елементарних частинок) випромінювання, під впливом якого у газоподібному, рідкому та твердому середовищах із нейтральних атомів і молекул утворюються іони (позитивні та негативні частинки).

Класифікація ІВ наведена на схемі. Усі випромінювання за своєю природою бувають квантові (електромаг­нітні) та корпускулярні. До квантових належить ультрафіолетове, рент­генівське та гама - випромінювання, до корпускулярного – альфа- та бета-випромінювання - це найбільш короткохвильова частина спектра сонячного світла, що генерується атомами чи молекулами внаслідок змі­ни стану електронів на зовнішніх оболонках.

Рентгенівське випромінювання виникав внаслідок зміни стану елек­тронів на внутрішніх оболонках атома, довжина хвилі – (1...1000)10^-12 м.

Гамма - випромінювання виникає при ядерних вибухах, розпадах ра­діоактивних ядер, елементарних часток, а також при проходженні швид­ких заряджених частинок крізь речовину. Завдяки великій енергії (до 5 МеВ у природних радіоактивних речовинах та до 70 МеВ при штучних ядерних реакціях), гама-випромінювання (ГВ) легко іонізує різні речовини і здат­не самостійно викликати ядерні реакції. Може проникати крізь великі товщі речовини. Використовується у медицині (променева терапія), для стерилізації приміщень, апаратури, ліків, продуктів харчування.

Альфа-випромінювання (АВ) - це потік позитивно заряджених час­тинок - атомів гелію, що виникають при розпаді радіоактивних ізотопів і рухаються зі швидкістю близько 20000 км/с.

Нині вже відомо близько 40 природних і понад 200 штучних альфа - активних ядер. Проникаюча здатність АВ мала. Найбільшу небезпеку ста­новить проникнення альфа-ізотопів (наприклад плутонію – 239) усере­дину організму. Енергія альфа - частинок 2...8 МеВ.

Бета-випромінювання (БВ) - це потік електронів або позитронів (бета – частинок), що випромінюються атомними ядрами при бета-розпа­ді радіоактивних ізотопів, їхня швидкість близька до швидкості світ­ла.

Потоки нейтронів і протонів виникають при ядерних реакціях, їхня дія залежить від енергії частинок. Звичайно потоки нейтронів розділя­ють на повільні (холодні), швидкі та надшвидкі.

Джерелами іонізуючих випромінювань є ядерні вибухи, енергетичні ядерні установки та інші ядерні реактори, прискорювачі заряджених час­тинок, рентгенівські апарати, радіоактивні ізотопи, уранова про­мисловість, радіоактивні відходи тощо.

В апаратурі зв’язку джерелами ІВ є прилади, що працюють з вели­кими напругами споживання, високовольтні випрямні діоди (кенотрони) , міцні генераторні та модуляторні лампи, міцні НВЧ підсилювачі та ге­нератори - клістрони, магнетрони і т. ін.

Іонізуюче випромінювання виникає при розпаді радіоактивних ядер. Кількісною характеристикою джерела випромінювання е активність, що виражається числом радіоак­тивних перетворювань за одиницю часу.

У Міжнародній системі одиниць (СІ) за одиницю активності прийнято одне ядерне перетворення за секунду (розп/с) - бекерель (Бк). Позасистем­ною одиницею є кюрі (Кu) - активність такої кількості радіонуклідів, в якій відбувається 37 мрд. розпадів ядер за 1 с. Кюрі дорівнює ак­тивності Іг радію, але для урану 238 - Зт, кобальту – 60...0,001г. 1Кю = 3,7710¹⁰ Бк.

Міра дії ІВ у будь-якому середовищі залежить від величини поглинутої енергії випромінювання та оцінюється дозою іонізуючого випромінювання. Розрізняють експозиційну, поглинуту та еквівалентну дози іонізуючого випромінювання.

Експозиційна доза характеризує іонізуючі здатності випромінювання у повітрі. За одиницю дози в СІ прийнято кулон на І кг (Кл/кг) - це така доза випромінювання, за якої в І кг сухого повітря виникають іони, що несуть заряд 1 кулон електрики кожного знаку.

Для характеристики цієї дози часто використовують позасистемну одиницю - рентген (Р).

Рентген (позасистемна одиниця) - це така доза гама-випромінювання, під впливом якої в 1 см³ повітря виникає 2,58 млрд. пар іонів. 1 Р = 2,58 . 10^-4 Кл/кг.

Для отримання експозиційної дози в 1Р у 1г повітря на його іоні­зацію витрачається 87,3 ерга енергії. Величина 87,3 ерг/г називається енергетичним еквівалентом рентгену.

Експозиційна доза характеризує потенціальні можливості іонізую­чого випромінювання.

Поглинута доза (Д_п) характеризує енергію ІВ, що поглинута одиницею маси опроміненого середовища. Величина дози, яку дістала людина за­лежить від виду випромінювання, енергії його частинок, щільності потоку та тривалості впливу випромінювання. Одиниця випромінювання поглинутої дози - грей (Гр), в СІ - джоуль на кілограм (Дж/кг), позасис­темна одиниця - рад. 1 рад = 0,01 Дж/кг, 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Рад - це така поглинута доза, за якої 1г речовини поглинає енергію в 100 ергів незалежно від виду енергії випромінювання. Співвідношення доз випромінювання (у рентгенах) і доз поглинання (у радах): при дозі вип­ромінювання ІР поглинута доза у повітрі 0,87 рад, у воді та живій тканині - 0,93 рад, тобто можна вважати приблизно однаковими дози випромінювання (рентген) та поглинання (рад).

Але поглинута доза не враховує те, що вплив на організм однієї і тієї ж дози різних випромінювань неоднаковий. Наприклад, альфа - вип­ромінювання у 20 разів більш небезпечне, ніж інші випромінювання.

Еквівалентна доза (Д_е) ІВ визначає біологічний вплив різних видів іо­нізуючих випромінювань на організм людини і служить для оцінки радіаційної небезпеки цих видів випромінювань. Вона дозволяє приводити біоло­гічний ефект даного виду випромінювання до впливу, що спричиняють гама-промені. Д_е = К Д_п, де К - коефіцієнт якості випроміню­вань, який вказує, у скільки разів біологічний ефект даного виду випромінювання відрізняється від дії такої самої дози гама -випромінювання. К = І для рентгенівського випромінювання, 10 - для нейтронів, 20 - для альфа частинок. Еквівалентна доза в СІ вимірюється у зивертах. Зиверт (Зв) дорів­нює поглинутій дозі в І Дж/кг (для рентгенівського, гама - та бета –випромінювань). Часто використовують позасистемну одиницю – бер (біологічний еквівалент рада). 1 бер = 0,01 Дж/кг; 1 бер = 0,01 Зв; 1 Зв = 100 бер.

При виключенні попадання радіоактивного пилу в організм можна вва­жати, що експозиційна, поглинута та еквівалентна дози практично однакові, 1 бер = 1 рад = 1Р.

Різні частини тіла неоднаково реагують на отриману дозу опромінен­ня. Наприклад, за однакової еквівалентної дози виникнення раку в леге­нях більш імовірне, ніж у щитовидній залізі, опромінення статевих залоз особливо небезпечне через можливі генетичні ушкодження.

Тому дози опромінення органів і тканин враховуються з різними кое­фіцієнтами.

За рівномірного опромінення всього тіла із 100% дози червоний кістковий мозок здатний поглинути 12%, молочні залози – 15%, легені – 12%, яєчники або сім'яники – 25%, щитовидна залоза – 3%, кісткова тканина – 3%, інші тканини –30%. Наведені цифри характеризують коефіцієнти радіаційного ризику цих органів.

Сумарний ефект опромінення організму характеризується ефективною еквівалентною дозою, яку дістають шляхом підсумовування доз, отриманих усіма органами та тканинами, помноженими на коефіцієнти ризику (вимірюється у зивертах).

Вплив іонізуючого випромінювання на живий організм. Усі іонізуючі випромінювання дуже руйнівно діють на живі організми. Але дія ІВ невідчутна людиною. Жодний орган чуттів людини їх не фіксує. Людина може піддаватися опроміненню, поглинути, вдихнути радіо­активну речовину без будь-яких первинних відчуттів.

При вивченні дії на організм людини ІВ було виявлено такі особли­вості:

1.Висока руйнівна ефективність поглинутої енергії ІВ, навіть дуже мала кількість енергії випромінювання може спричинити глибокі біоло­гічні зміни в організмі;

2. Присутність прихованого періоду уявного благополуччя, він може бути досить довгим при опроміненнях у малих дозах;

3. Вплив від малих доз може підсумовуватися або накопичуватися, цей ефект називається кумуляція;

4. Випромінювання впливає не тільки на даний живий організм, а й на його нащадків, цей ефект називається генетичним;

5. Різні органи живого організму мають певну чутливість до опромі­нення, більш чутливі червоний кістковий мозок, щитовидна залоза, внутріш­ні, особливо кровотворні, органи, молочні залози, статеві органи;

6. Різні організми мають істотні відмінні особливості реакції на дози опромінення;

7. Ефект опромінення залежить від частоти впливу ІВ; одноразове опромінення у великій дозі спричиняє глибші наслідки, ніж фракціоноване.

Внаслідок впливу іонізуючого випромінювання на організм людини у тілі можуть відбуватися складні хімічні, фізичні та біологічні про­цеси.

Основний склад тканини людини (60-70%) - вода. Вода (Н₂О) під впливом випромінювання розщеплюється на водень (Н) та гідроксильну групу (ОН), що утворюють продукти з високою хімічною активністю: оксид НО₂і перекис водню Н₂О₂. Ці сполуки вступають у реакцію з молекулами білка, фермен­тів та інших структурних елементів біологічної тканини, руйнуючи її. Внаслідок порушуються обмінні процеси, пригнічується активність ферментних систем, уповільнюється та зупиняється ріст тканин, виникають хімічні з’єднання, які не властиві організму-токси­ни, що призводить до порушення життєдіяльності окремих функцій чи сис­тем організму у цілому. Хімічні реакції розвиваються з великим виходом і втягують у цей процес багато сотень та тисяч молекул, на які не діяло опромінення. Це специфічна особливість дії ІВ. Ніякий інший вид енер­гії (теплової, електричної), поглинутої організмом у такій самій кіль­кості, не здатний викликати такі руйнування. Наприклад, смертельна до­за ІВ для ссавців - 5 Гр (500 рад) - відповідає поглинутій енергії випромінювання 5 Дж/кг (57104 ерг/г). Якщо цю енергію підвести у вигляді теплоти, вона б зігріла тіло не більш як на 0,001°С. Ця теплова енергія міститься у склянці гарячого чаю!

Вплив ІВ на тканини організму можна описати так. За час близько десяти трильйонних секунди проникаюче випромінювання внаслідок електрич­ної взаємодії відкриває електрон від відповідного атома, утворюються два іони. Гамма - випромінювання з експозиційною дозою 1Р здатне утво­рювати 2,08 млрд. іонів в 1 см³повітря, (у воді та живій тканині ефек­тивність гама - випромінювання – 93%). Електрони, що відірвалися, по­чинають іонізувати інші атоми. І вільні електрони, і іонізовані атоми протягом десяти мільярдних частинок секунди беруть участь у складній ланці фізико-хімічних перетворень, внаслідок яких утворюються нові мо­лекули, у тому числі й вільні радикали.

Протягом наступних мільйонних часток секунди розпочинаються хімічні зміни в організмі. Вільні радикали, що утворилися, вступають в реакцію з молекулами організму та змінюють їхню хімічну структуру, порушуючи нормальне функціонування клітин. Наступні біохімічні зміни можуть відбуватися як через кілька секунд, так і через десятиріччя після опромінен­ня та спричинити загибель клітин або зміни в них, що спричиняють рам. Повторне опромінення може прискорити або супроводжувати цей процес.

Багаторічними дослідженнями, проведеними Міжнародним Науковим ко­мітетом по впливу атомної радіації (створений у рамках ООН), вста­новлені наступні граничні значення доз, які спричиняють різні зміни в орга­нізмі.

Дуже велика доза 100 Гр (10000 рад) викликає настільки серйозне ураження, що смерть, як правило, наступає протягом кількох годин або діб.

При дозах опромінення від 10 до 50 Гр (І000...5000 рад) опромінена людина помре через 1-2 тижні від крововиливу у шлунково-кишковий тракт, за менших доз смерть може наступити через один-два місяці через руйну­вання клітин червоного кісткового мозку - основного елемента кровотворної системи організму.

Від дози опромінення З...5 Гр (300...500 рад) вмирає майже половина усіх опромінених. Кровотворна система організму е найбільш уразливою, вона припиняє нормальне функціонування при дозах опромінення 0,5...1Гр (50...100 рад).

Кровотворні органи, проте, мають високу здатність відновлюватися, і, якщо доза не досить велика, кровоносна система може повністю відтво­рити свої функції.

Радіоактивні ізотопи широко застосовуються у діяльності людини. Ра­діоізотопну гамма - дефектоскопію застосовують для контролю якості про­дукції, яку-випускають, експлуатаційної надійності відповідальних де­талей, визначення структури сплавів, зварювальних з'єднань, а також у дослідницьких цілях для корегування і відпрацювання технології зварювання. У промисловій практиці застосовуються різноманітні товщиноміри, урівнеміри, густиноміри, вологоміри і інші апарати та прилади.

Електромагнітні поля та випромінювання

Першим, хто звернув увагу на вплив електромагнітні поля (ЕМП) на організм людини, був Пав­ло Іванович Іжевський - лікар, земляк і друг винахідника радіо Олексан­дра Степановича Попова. У 1900 р. П.І.Іжевський у Військово-медичній академії захистив дикторську ди­сертацію "Вплив електричних хвиль на організм людини." Це був результат спостережень за здоров'ям моряків, які працювали на кораблях з радіостанціями, та моряків, які були на тих кораблях. ЕМП - природні та антропогенні.

ЕМП природного походження.

Електричне поле Землі має напруженість 130 В/м (зменшується від середніх широт до полюсів та до екватора, а також з віддаленням від земної поверхні за експоненціальним законом). Варіації поля - річні, добові та випадкові (гроза, опади, завірюхи, пилові бурі, вітри).

Магнітне поле Землі має напруженість 47,3 А/м на північному, 39,8 А/м - на південному полюсах, 19,9 А/м - на магнітному екваторі.

Періоди коливання поля - 80 та 11 років (основні) та менші відпо­відно до сонячної активності.

Земля постійно знаходиться уЕМП Сонця. У процесі ево­люції людина пристосувалась до впливу цих полів (здебільшого), але є кореляційний зв’язок між зміною сонячної активності та нервовими, психічними, серцево-судинними захворюваннями, та умовно-рефлекторною діяльністю (біоритмами).

Антропогенні випромінювання охоплюють практично всі діапазони.

ВЧ та УВЧ діапазон(30кГц...500мГц).

Довгі хвилі (1...10 км) обгинають Земну поверхню та перешкоди, йдуть шаром між Земною поверхнею та нижньою межею іонізаційного шару атмосфери майже не поглинаються ґрунтом, поширюються на далекі відстані.

Середні хвилі (100...1000 м) також досить добре обгинають Земну поверхню, але від­хиляються перешкодами, більшими за довжину хвилі, та значно поглинаю­ться ґрунтом; дальність поширення близько 500 км, тому існує мережа ретрансляційних станцій.

Короткі хвилі (10...100 м) сильно поглинаються ґрунтом, але поширюються на да­лекі відстані при відбиттях від Земної поверхні та іоносфери.

Ультракороткі хвилі (1...10 м) дуже сильно поглинаються ґрунтом, майже не від­биваються іоносферою, поширюються в межах прямої видимості.

Як результат дії ЕМП виникають: загальна слабкість, підвищена вто­ма, пітливість, сонливість, розлад сну, головний біль, болі в області серця. З’являються роздратування, втрата уваги, подовжується тривалість мовно-рухомої та зоровомоторної реакції, збільшується межа нюхової чут­ливості. Захворюваність в основному зумовлена порушенням роботи нерво­вої та серцево-судинної систем, які керують всіма функціями організму.

Вага радіохвильової хвороби прямо залежить від напруженості ЕМП, тривалості впливу, фізичних особливостей різних діапазонів частот, а також від функціонального стану організму та його стійкості. Поряд з радіохвильовою хворобою спостерігається загальне збільшення захворювань.

Зміни діяльності нервової та серцево-судинної систем зворотні, але вони мають кумулятивний характер (тобто накопичуються і посилюються з часом) і при тривалому та інтенсивному впливі ЕМП призводять до стійких порушень і захворювань.

Активність впливу ЕМП різних діапазонів значно зростає з ростом час­тоти і дуже серйозно впливає у НВЧ діапазоні.

НВЧ діапазон – це дециметрові (10...100 см), сантиметрові (1...10 см) та міліметрові (1...10 мм) хвилі, об'єднуються терміном "мікрохвилі".

НВЧ випромінювання дуже сильно поглинається ґрунтом і не відбиває­ться іоносферою.

У НВЧ діапазоні працюють радіомовні та телевізійні станції, радіозв'язок (ра­діорелейний та супутниковий) та радіолокатори.

НВЧ випромінювання при поглинанні поганопроводними матеріалами викликає їх нагрівання. Використовується у промисловості, побуті, медицині, а також для передачі енергії променем на великі відстані.

У межах променя напрямленої антени інтенсивність ЕМП значно збіль­шується, а за межами променя стає дуже малою, що зумовлює виділення еко­логічно небезпечних зон.

При інтенсивності 20мкВт/см²спостерігається зменшення частоти пуль­су, зниження артеріального тиску; з ростом інтенсивності проявляються електрокардіографічні зміни, тенденція до гіпотонії, до змін з боку нер­вової системи. За інтенсивності 6 мВт/см²- зміни у статевих залозах, у складі крові, каламутність кришталика, потім - зміни у корі головного моз­ку, підвищення кров'яного тиску, розриви капілярів і крововиливи у легені та печінку. За інтенсивності до 100 мВт/см²- стійка гіпотонія, двосто­роння катаракта; подальше опромінення викликає больові відчуття; при ін­тенсивності більш І Вт/см²- швидка втрата зору.

НВЧ випромінювання використовується також для опромінення насіння перед посадкою, для боротьби з комахами та бактеріями (вірусами).

Оптичний діапазонне класифікується як радіочастотний, але широко використовується у радіоелектроніці. З боку довгих хвиль між оптичним діапазоном та НВЧ лежить та поки маловикористовуваний діапазон субміліметрових хвиль (0...0,1 мм), а з боку коротких хвиль – перехід до рентгенівського випромінювання. Оптичне випромінювання включає діапазон видимого світла (0,4...0,77 мкм), а також межує з ним діапазони – інфрачервоного (ІЧ, 0,1...0,77 мкм) та ультрафіолетового (УФ, 0,05...0,4 мкм). Ультрафіолетове випромінювання приз­водить до опіків шкіри, інфрачервоне - до теплового удару. ІЧ випромінювання зустрічається дуже часто, тому що при ККД<1 частина витраченої енергії перетворюється на теплоту.

Оптичний діапазон - робочий діапазон лазерного випромінювання. Лазери - квантові оптичні генератори, їх випромінювання має ряд особливостей, головні - часова та просторова когерентність.

Часова когерентність зумовлює монохроматичність (одночастотність) випромінювання, просторова когерентність - високу направленість, тобто малу кутову розбіжність променя на великих відстанях. За допомогою ла­зерів здійснюється багатоканальний зв’язок на великі відстані (кількість каналів у десятки тисяч разів перебільшує можливість НВЧ діапазону), ла­зерна локація, дальнометрія, швидка обробка інформації,

Вплив лазерного випромінювання на біологічні тканини може привести до теплової, ударної дії світлового тиску, електрострикції (механічним коливанням під дією ЕМП), перебудовам внутрішньоклітинних структур.

За великою інтенсивністю та малою тривалістю імпульсів спостерігається ударна дія, за меншою інтенсивністю проявляється тепловий ефект.

Найбільш сильний вплив лазерне випромінювання чинить на очі; у пер­шу чергу випромінювання УФ діапазону – викликає коагуляцію білка, опіки рогівки та слизової обо­лонки; промені видимого діапазон впливають на клітини сітківки. Випромінювання ІЧ діапазону менш небезпечне, але також може спричинити слі­поту.

В наслідок лазерного опромінювання можуть виникати вільні радикали - вплив аналогічний впливу іонізаційних випромінювань.

ГОСТ 12.1.006.84 "Електромагнітні поля для радіочастот" встановлює, що оцінка ЕМП проводиться окремо з електричних і магнітних складових поля. Граничне допустимі рівні протягом робочого дня по електричній ск­ладовій не повинні перевищувати 50 В/м, знижуючись ступенями до 5 В/м у міру підвищення частоти. По магнітній складовій встановлені рівні тільки для окремих ділянок діапазону: 5 А/м для частот 60 кГц...1,5 МГц та 0,3 А/м для частот ЗО кГц...50 МГц. Допускається перевищення цих рівней (але не більше за двократне) при зменшенні робочого часу не менш як на 50%.

У промисловості і охороні здоров’я широко застосовуються прилади, прис­трої, обладнання, робота яких пов’язана з використанням різноманітних частотних діапазонів (від гукових хвиль до електромагнітних оптичного діапазону). При широкому застосуванні систем, що викликають виникнення електромагнітних полів, особливе значення мають питання безпечних умов праці і всебічних заходів по захисту від шкідливих впливів на організм людини.