2.1.6. Іонізуючі випромінювання

Розвиток життя на Землі завжди відбувався за наявності радіаційного фону довкілля. Радіоактивне випромінювання – це вічно існуюче явище, яке було відкрите В.К. Рентгеном у 1895 році і назване у подальшому його іменем. У 1896 році А. Бекерель відкрив явище радіоактивності. У 1898 році подружжя М. Кюрі та П. Кюрі встановило, що уран після випромінювання перетворюється на інші хімічні елементи, які були названі радієм та полонієм. Хімічні елементи, атоми яких самовільно розпадаються і цей розпад супроводжується радіоактивним випромінюванням альфа, бета і гама, названі радіоактивними речовинами. Від початку їх вивчення дослідники зіткнулися з негативною дією радіації: донька і зять Марії Кюрі померли від променевої хвороби, що виникла у наслідок багаторічної роботи з радіоактивними речовинами. Практичним втіленням пошуків вчених стало створення атомної бомби, атомних електростанцій, широке застосування рентгенівських променів і радіоактивних речовин у медицині та в інших галузях народного господарства. Все це посилює радіаційну небезпеку у світі.

Характеристика іонізуючих випромінювань, одиниці випромінювання

Іонізуючим випромінюванням називають будь-яке випромінювання (електромагнітне, корпускулярне), яке при взаємодії з речовиною безпосередньо або опосередковано викликає іонізацію та збудження її атомів і молекул. Іонізуюче випромінювання здатне проникати крізь матеріали різної товщини й іонізувати живі клітини організму. Іонізація речовин завжди супроводжується зміною їх основних фізико-хімічних властивостей, а для біологічної тканини - порушенням її життєдіяльності.

Основні типи іонізуючих випромінювань: α (альфа), β (бета), nº (нейтронні) (група корпускулярних випромінювань), рентгенівські та γ випромінювання (група хвильових). Корпускулярні випромінювання є потоками невидимих елементарних частинок певної маси і розмірів. Хвильові випромінювання мають квантову природу. Це електромагнітні хвилі у понадкороткохвильовому діапазоні.

Альфа – частинка - це ядра атомів гелію, що мають два протони і два нейтрони. Альфа-випромінюванню властива відносно велика іонізуюча здатність, але воно проникає у тканини тіла людини на дуже малу глибину – 0,03 мм (у повітрі пробігає – 2,5 см)

Бета-частинка - електрони. Їх проникаюча здатність значно вище, ніж у альфа-частинок (у тканини тіла людини проникає на глибину до 2 см, викликаючи бета-опіки, у повітрі пробіг може досягати 18 м).

Рентгенівські і γ -промені вільно проникають не тільки крізь тіло людини, але і більш щільні шари середовища. У повітрі величина пробігу досягає десятків, а інколи і сотень метрів.

Нейтрони – елементарні частинки з масою, близькою до маси протона, але вони не мають заряду. Тому їх проникаюча здатність приблизно така, як і у γ -променів.

Іонізуюча здатність найвища у α-частинок, трохи менша - у нейтронного потоку, значно менша - у β-частинок і найменшу іонізуючу здатність мають хвильові випромінювання.

Уражаюча дія радіоактивних випромінювань визначається властивістю їх іонізувати атоми середовища, у якому вони поширюються. Іонізуючі атоми і молекули клітин людини, радіоактивні випромінювання порушують функції життєвоважливих органів і систем. Іонізуючу властивість радіоактивних випромінювань характеризують дозою випромінювання.

Доза випромінювання – це кількість енергії радіоактивних випромінювань, поглинутих одиницею об’єму середовища, яке опромінюється. Розрізняють експозиційну, поглинену і еквівалентну дози.

Експозиційна доза – це доза випромінювання у повітрі. Вона характеризує потенційну загрозу іонізуючих променів для людини (за γ – променями). Експозиційна доза γ-променів вимірюється несистемною одиницею - рентген (Р). 1Р – це така доза γ-випромінювання, яка в 1 см³ сухого повітря при t⁰=0⁰ С і тиску 760 мм рт.ст. створює 2,08^.10⁹ пар іонів.

У системі СІ експозиційна доза вимірюється в кулонах на кілограм (1Р=2,58^.10^-4 Кл\кг). Експозиційна доза має обмежене значення: вона характеризує вплив γ - променів на повітря. Більш поширене значення має поглинена доза. Це величина, яка характеризує енергію іонізуючого випромінювання, поглинену одиницею маси речовини, яка опромінюється. У системі СІ вона вимірюється в греях. 1Гр -це така поглинена доза, при якій 1 кг опроміненої речовини поглинає енергію в 1Дж (1Гр=1 Дж\кг).

Несистемна одиниця - рад (1Гр=100рад). Експозиційна доза в 1Р відповідає приблизно 1 раду (у повітрі 1Р=0,88 рад, у біологічній тканині – 0,98 рад).

Для оцінки біологічної дії іонізуючих випромінювань на організм використовується еквівалентна доза. Вона характеризує вплив різних іонізуючих випромінювань на людину у порівнянні з впливом γ-випромінювання. Еквівалентна доза – це добуток поглиненої дози на так званий коефіцієнт якості (Кя). Для γ-променів і β-частинок Кя = 1, для нейтронного потоку з різною енергією Кя = 5-10, для α-частинок – Кя = 20. Еквівалентна доза у системі СІ вимірюється одиницею Зіверт (Зв). Несистемна одиниця - Бер. 13в=100 Бер., а Д екв = Д погл ^.Кя.

Коефіцієнт якості визначає ефективність іонізуючої дії на людину різних радіоактивних випромінювань.

Для контролю за радіаційним забрудненням атмосфери та різних поверхонь використовують величину потужності дози – дозу, співвідносну з одиницею часу. Потужність дози іонізуючого випромінювання називають (при визначенні потужності дози на висоті 1м над поверхнею землі) також рівнем радіації або радіаційним фоном. Потужність дози характеризує швидкість накопичення дози: Р=Д\t

Активність радіоактивної речовини – це число атомів, що розпадаються за одну секунду. За одиницю активності прийнято бекерель (Бк) – один розпад за одну секунду. Крім того використовується одиниця активності - Кюрі (Кі). Стосовно радію – один грам радію має активність 1 Кі. Для інших елементів 1Кі = 3,7·10¹⁰, це понад 37 міліардів розпадів за 1с, тобто 1Кі=3,7·10¹⁰росп\с, 1бк=2,7·10^-9Кі.

Для характеристики радіаційного забруднення середовища, предметів, продуктів харчування, води застосовують питому, об’ємну і поверхневу активність, які є співвіднесенням активності і одиниці маси, об’єму або площі поверхні (Кі\кг, Кі\м³, Кі\м²).

Зовнішнє і внутрішнє опромінення

Існує два різних шляхи, якими випромінювання досягає тканин організму та діє на них. Перший шлях – зовнішнє опромінення від джерела, розміщеного поза організмом людини. У цьому випадку зовнішнє радіаційне ураження викликається глибоким проникненням гамма- і рентгенівських променів, нейтронів та неглибоко проникаючими в організм людини β–частинками. Другий шлях – внутрішнє опромінення, обумовлене радіоактивною речовиною, що потрапила всередину організму з їжею, водою, повітрям. Найбільшою небезпекою при цьому буде концентрація в організмі ізотопів, що випромінюють α-частинки, які мають найвищу іонізуючу здатність.

Заходи захисту від зовнішнього опромінення базуються на комбінаціях трьох чинників: зменшення часу перебування у зоні дії випромінювання, збільшення відстані до джерела та екранування джерела випромінювання.

При внутрішньому опроміненні основні заходи захисту спрямовані на зменшення надходження радіоактивних речовин з продуктами харчування і водою в організм людини, а також прискорення їх виведення із організму. Для цього потрібно організувати постійний радіаційний контроль за продуктами харчування і водою, проведення дезактивації продуктів і води. Прискорення виведення із організму радіоактивних речовин проводиться за допомогою радіопротекторів і сечогінних речовин.

Радіоактивні випромінювання, поширюючись, іонізують атоми, а при проходженні крізь людину – атоми і молекули, які утворюють клітини. Це призводить до порушення нормального обміну речовин, зміни характеру життєдіяльності клітин, організмів і систем, наслідком чого стає променева хвороба. Ступінь і розвиток променевої хвороби у людей і тварин залежить від дози опромінення, яку отримав організм. Гостра променева хвороба має чотири ступені і починається з кількості одноразової поглиненої дози, яка перевищує 100 рад\1Гр\:перший ступінь – легка – 100-200 Рад \1-2Гр\; другий ступінь 200-400 рад - \2-4 Гр\; третій – важка – 400-600 рад \4-6 Гр\; четвертий – дуже важка - більше 600 рад \6 Гр\.

За час хвороби спостерігається чотири періоди: первинний прояв хвороби, уявного благополуччя, виразних клінічних проявів та відновлення. Первиний прояв хвороби з”являється за декілька годин після опромінення і триває 1-4 дні. У людини проявляється головний біль, загальна слабкість, нудота, незначне зменшення лейкоцитів у крові.

У другому періоді (уявного благополуччя) стан хворих поліпшується до зникнення симптомів. Тривалість цього періоду від 0-30 днів.

Третій період характеризується різким погіршенням стану: сильний головний біль, блювота, пронос, втрата свідомості, нервове збудження, крововиливи у шкіру і слизові оболонки, різко зменшується кількість лейкоцитів і еритроцитів, послаблюються захисні сили організму і з’являються різні ускладнення, підвищується температура тіла. Третій період залежно від ступеня променевої хвороби продовжується 2-4 тижня і поступово переходить у відновлювальний період.

Клінічне протікання гострої променевої хвороби залежить від ступеня тяжкості ураження. При легкому ступені термін одужання - місяць. При середньому ступені - кілька місяців. (При ускладненні хвороби можлива летальність - 20%). Важкий ступінь ураження потребує тривалого лікування. Без лікування хвороба часто (50%) призводить до смерті. При дуже важкому ступені період уявного благополуччя відсутній. Хвороба триває 1-2 тижні. Фіксуються множинні крововиливи, кровотечі, гостра серцево-судинна недостатність, смерть наступає в 100% випадків.

Тривале опромінення малими дозами радіації (-0,001-0,005 Гр) може призвести до хронічної променевої хвороби, яка виявляється протягом кількох років. Хвороба супроводжується вегетативно-судинними порушеннями, змінами у центральній нервовій системі, змінами картини периферичної крові, загальним нездужанням. Ефективне спеціальне лікування сприяє одужанню хворого.

Джерела іонізуючих випромінювань

Всі живі істоти, які мешкають на Землі, більшу частину опромінення отримують від природних, а решту – від штучних джерел, які утворюють радіаційний фон.

Природні джерела формують зовнішнє і внутрішнє опромінення. Зовнішнє – від зовнішніх джерел (космічне випромінювання, природні радіонукліди у гірських породах, ґрунті, атмосфері тощо); внутрішнє – від дії випромінювань природних радіонуклідів, які є в організмі (калій-40 та радіонукліди сім’ї торію, урану, актинію) і надходять до нього з повітрям, їжею, водою.

Рівень природного фону залежить від таких факторів: висота над рівнем моря, кількість і вид радіонуклідів у гірських породах та ґрунтах, кількість радіонуклідів, які надходять до організму людини.

Середня доза опромінення від усіх природних джерел іонізуючого випромінювання становить 200-250 мбер на рік, але ця величина може коливатися у різних регіонах земної кулі від 50 до 1000 мбер на рік і більше.

Джерела	Середня доза	Річна
	мбер	мЗв
Космос( випромінювання на рівні моря)	30	0,3
Випромінювання (ґрунту, води, будівельних матеріалів)	50-130	0,5-1,3
Радіоактивні елементи, які знаходяться у тканинах тіла людини 40К14 С та ін.	30	0,3
Інші джерела	2	0,02
Середня сумарна доза за рік	200	2,0

Дози, які отримують люди від штучних джерел радіації, можуть значно відрізнятися. Основна доза, яку одержує людина від техногенних джерел радіації, - це рентгенодіагностичне випромінення в медицині.

Штучні джерела випромінювання	Доза за рік
	мбер	мЗв
Медичні джерела (флюрографія-370 мбер, рентгенографія зуба-3 бера, рентгеноскопія легенів – 2-8 бер)	100-150	1,0-1,5
Політ у літаку (віддаль – 2000 км, висота – 12 км, 5 разів на рік)	2,5-5	0,02-0,05
Телевізор (перегляд по 4 години на день)	1	0,01
АЕС	0,1	0,01
ТЕС (на вугіллі) на віддалі 20 км	0,6-6,0	0,006-0,06
Глобальні опади від випробувань ядерної зброї	2,5	0,02
Інші джерела	40	0,4
Разом	150-200	1,5-2

Основними штучними джерелами радіоактивного забруднення навколишнього середовища є уранова промисловість, ядерні реактори, радіохімічна промисловість, місця переробки та захоронення радіоактивних відходів, використання радіонуклідів у народному господарстві, ядерні вибухи, великі радіаційні аварії.

В цілому кожний житель Землі протягом свого життя щорічно опромінюється дозою середньому 250-400 мбер. За цих умов фонового опромінення ризик появи злоякісних пухлин з летальним кінцем дорівнює 50 смертей на рік на 1 млн. громадян, а також 7 спадкоємних порушень у двох поколіннях.

Норми радіаційної безпеки

Радіація – явище потенційно небезпечне, тому опромінення людини підлягає контролю і нормуванню. У нашій державі розроблені і введені в дію Державні гігієнічні нормативи «НРБУ – 97». Вони є основним документом, що встановлює систему радіаційно-гігієнічних регламентів для забезпечення прийнятних рівнів опромінення для окремої людини зокрема і суспільства загалом.

Основні регламентуючі величини „НРБУ – 97” зведено у 4 групи:

• перша група – регламенти, які контролюють дотримання опромінення людей (персоналу і населення) на прийнятному рівні, а також підтримується радіаційно-прийнятний стан довкілля і ядерних об’єктів. До цієї групи входять: ліміти доз, допустимі та контрольні рівні.

• друга група - регламенти, що мають за мету обмеження опромінення від медичних джерел – рекомендовані рівні.

• третя і четверта групи - регламенти, які враховують опромінення населення в умовах радіаційної аварії та техногенного підсилення джерел природного походження .

Числові значення лімітів доз встановлюються на рівнях, що виключають виникнення детерміністичних ефектів опромінення і, одночасно, гарантують низьку ймовірність виникнення стокохімічних ефектів опромінення.

НРБУ встановлюють категорії осіб, які зазнають опромінення: категорія А (персонал) – особи, які працюють безпосередньо з джерелами іонізуючих випромінювань; категорія Б (персонал) – особи, які безпосередньо не зайняті роботою з джерелами іонізуючих випромінювань, але у зв’язку з розташуванням робочих місць у приміщеннях та на промислових майданчиках об’єктів з радіаційно-ядерними технологіями можуть отримувати додаткове опромінення; категорія В - (все населення).

У таблиці наведені ліміти доз опромінення (мЗв\рік) для зазначених категорій.

	Категорія осіб, що зазнають опромінення
	А	Б	В
ЛДЕ (ліміт ефективної дози)	20	2	1
Ліміти еквівалентної дози зовнішнього опромінення
ЛД (для кришталика ока)	150	15	15
ЛД (для шкіри)	500	500	50
ЛД (для кистей та стоп)	500	50

Під час медичних обстежень чи лікувань ліміти доз опромінення не встановлюються, а необхідність проведення певної рентгенологічної та радіологічної процедури обґрунтовується лікарем на основі медичних показань.

Для персоналу (категорії А) у непередбачуваних ситуаціях допускається опромінення ЛД_max =50 мЗв* рік^-1. У виключних випадках під час виконання рятувальних робіт з метою збереження життя людей допускається ЛД_max не більше 500 мЗв.

Захист від іонізуючого випромінювання

Питання захисту людини від негативного впливу іонізуючого випромінювання постало відразу після відкриття рентгенівського випромінювання і радіоактивного розпаду. Це зумовлено надзвичайно швидким розвитком застосування іонізуючих випромінювань у науці та у виробництві і виявленням негативного впливу випромінювання на організм.

Заходи радіаційної безпеки потребують проведення цілого комплексу різноманітних захисних заходів, що залежать від конкретних умов роботи з джерелами іонізуючих випромінювань, а також від типу джерела випромінювання.

Основними заходами забезпечення радіаційної безпеки є:

1. зменшення потужності джерела (захист кількістю);

2. скорочення часу роботи з джерелом (захист часом);

3. збільшення відстані від джерела до людей (захист відстанню);

4. екранування джерел випромінювання матеріалами, що поглинають іонізуюче випромінювання (захист екраном).