2. Единицы измерения радиоактивности.

Каждый радионуклид (радиоизотоп) распадается со своей скоростью. Эта скорость распада А пропорциональна числу ядер радионуклида:

А=λN,

Где N – число ядер радионуклида; λ – постоянная распада, характеризующая вероятность распада за единицу времени (доля общего числа атомов изотопа, распадающихся каждую секунду).

Постоянная распада Т связана с периодом полураспада соотношением

Т=0,693/λ .

Для каждого изотопа имеются свои значения λ и Т.

На основании изложенного можно дать следующее определение активности как количественной характеристики источника излучений.

АКТИВНОСТЬЮ называется мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.

В системе единиц СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду или один БЕККЕРЕЛЬ (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является КЮРИ (Ки). Один кюри – это активность такого количества вещества, в котором происходит 3,7 · 10¹º актов распада в одну секунду. Единица активности кюри соответствует активности 1 г Ra.

Для определения активности источников гамма-излучения чаще применяется своя единица активности – миллиграмм-эквивалент радия (мг-экв RA) Активностью 1 мг-экв RA обладает такое количество радионуклида, которое создает такую же мощность дозы, как и 1 мг RA, заключенного в фильтр из платины толщиной 0,5 мм.

В практических случаях часто пользуются числом распадов в минуту, тогда единицы радиоактивности имеют следующие значения:

1 мкКи=2,22 · 10¹º расп/мин;

1 Ки=2,22 · 10¹º расп/мин

Испускаемые радиоактивным источником частицы образуют поток, измеряемый числом частиц в 1 секунду. Число частиц, приходящихся на единицу поверхности, представляет собой плотность потока частиц.

Степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависят от величины поглощенной энергии излучения. Для характеристики этого показателя используется понятие ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ, т.е. энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощенной дозы излучения принимается джоуль на килограмм – поглощенная доза излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж любого ионизирующего излучения.

Широко применяется внесистемная единица поглощенной дозы – рад. РАД – это такая поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения.

Новая единица поглощенной дозы в СИ – ГРЕЙ (Гр); 1 ГР равен 1 Дж, поглощенному в 1 кг вещества:

1 Гр = 1 Дж = 100 рад.

Для характеристики дозы по эффекту ионизации, вызываемому в воздухе, используется так называемая ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА рентгеновского и -излучения – количественная характеристика рентгеновского и -излучения, основанная на их ионизирующем действии и выраженная суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице объема воздуха в условиях электронного равновесия. За единицу экспозиционной дозы принимается кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон на килограмм – экспозиционная доза рентгеновского и -излучений, при которой сопряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия на килограмм сухого атмосферного воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд в 1 кулон электричества каждого знака.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и -излучений является РЕНТГЕН.

Рентген (Р) – экспозиционная доза, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в 0,001293 г (1 см³) воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Для получения дозы в 1 Р нужно, чтобы затраченная на ионизацию в 1см³ (или в 1 г) воздуха энергия была соответственно равна:

1 Р = 0,114 эрг/см³ = 87,7 эрг/г.

Величины 0,114 эрг/см³ и 87,7 эрг/г принято называть энергетическими эквивалентами рентгена.

3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

При изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности:

1.Высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2.Наличие скрытого периода проявления действия ионизирующего излучения. Этот период называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах.

3.Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией.

4.Излучения воздействуют не только на данный живой организм, но и на его потомство – генетический эффект.

5.Различные органы имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,02-0,05 Р уже наступают изменения в крови.

6.Не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

7.Облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.

Поглощенная энергия от ионизирующих излучений различных видов вызывает ионизацию атомов и молекул веществ, в результате чего молекулы и клетки ткани разрушаются. Известно, что 2/3 общего состава ткани человека составляет вода и углерод; вода под действием излучения расщепляется на водород H и гидроксильную группу OH, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный окисел HO₂ и перекись водорода H₂O₂. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органических веществ, окисляя и разрушая их. В зависимости от величины поглощенной дозы излучения и от индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут быть обратимыми и необратимыми. Любой вид ионизирующего излучения вызывает биологические изменения в организме как при внешнем облучении, так и при внутреннем.

Рассмотрим действие ионизирующего излучения, когда источник облучения находится вне организма.

Биологический эффект ионизирующего излучения зависит от суммарной дозы и времени воздействия излучения, от вида излучения, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма. При однократном облучении всего тела человека возможны биологические нарушения в зависимости от суммарной поглощенной дозы излучения. При облучении дозами в 100-1000 раз превышающими смертельную дозу, человек может погибнуть во время облучения.

Острые поражения развиваются при однократном равномерном гамма-облучении всего тела и поглощенной дозе свыше 0,25 Гр. При дозе 0,25…0,5 Гр могут наблюдаться временные изменения в крови, которые быстро нормализуются. В интервале дозы 0,5…1,5 Гр возникает чувство усталости, менее чем у 10% облученных может наблюдаться рвота, умеренные изменения в крови. При дозе 1,5…2,0 Гр наблюдается легкая форма острой лучевой болезни, которая проявляется продолжительным снижением числа лимфоцитов в крови (лимфопенией), возможна рвота в первые сутки после облучения. Смертельные случаи не регистрируются.

Лучевая болезнь средней тяжести возникает при дозе 2,5…4,0 Гр. Почти у всех в первые сутки – тошнота, рвота, резко снижается содеожание лейкоцитов в крови, появляются подкожные кровоизлияния, в 20% возможен смертельный исход, смерть наступает через 2-6 недель после облучения.

При дозе 4,0…6,0 Гр развивается тяжелая форма лучевой болезни, приводящая в 50% случаев к смерти в течении первого месяца. При дозах, превышающих 6,0…9,0 Гр, почти в 100% случаев крайне тяжелая форма лучевой болезни заканчивается смертью из-за кровоизлияния или инфекционных заболеваний.

Приведенные данные относятся к случаям, когда отсутствует лечение. В настоящее время имеется ряд противолучевых средств, которые при комплексном лечении позволяют исключить летальный исход при дозах около 10 Гр.

Хроническая лучевая болезнь может развиваться при непрерывном или повторяющемся облучении в дозах, существенно ниже тех, которые вызывают острую форму. Наиболее характерными признаками хронической формы являются изменения в крови, нарушения со стороны нервной системы, локальные повреждения кожи, повреждения хрусталика, снижение иммунитета организма.

Гигиеническая регламентация ионизирующего излучения осуществляется ГН 2.6.1.054-96 (НРБ-96). Основные дозовые пределы облучения и допустимые уровни устанавливаются для следующих категорий лиц:

-персонал – лица, работающие с источниками (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере воздействия (группа В);

-все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий в их производственной деятельности.

Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова – 2000, нижняя часть живота – 3000, верхняя часть живота – 5000, грудная клетка – 10 000, конечности – 20 000 рад.

Степень чувствительности различных тканей к облучению в порядке уменьшения дает следующую последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 50 рад через день после облучения резко сократиться число лимфоцитов (продолжительность жизни которых и αбез того незначительна – менее одного дня). Уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечении двух недель после облучения. У здорового человека насчитывается порядка 10¹⁴ красных кровяных телец при ежедневном воспроизводстве 10¹², у больного лучевой болезнью такое соотношения нарушается.

Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение во времени, тем меньше его поражающее действие.

Биологическая эффективность каждого вида ионизирующего излучения находится в зависимости от удельной ионизации. Так, например,α-частицы с энергией 3 МэВ образуют 40 000 пар ионов на 1 мм пути, β-частицы с такой же энергией – до 4 пар ионов. Альфа- частицы проникают через верхний покров кожи на глубину до 40 мкм, β-частицы – до 0,13 см. Наружное облучение α- и β- частицами менее опасно, они имеют небольшую величину пробега в ткани и не достигают кроветворных и других внутренних органов. При внешнем облучении необходимо учитывать - и нейтронное облучение, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают её.

Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. Так, при облучении фотонами поглощенной дозой 450 рад участка тела площадью 6 см² заметного поражения организма не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50% смертельных случаев.

Индивидуальные особенности организма человека проявляются лишь при небольших поглощенных дозах. Чем моложе человек, тем выше его чувствительность к облучению, особенно высока она у детей. Взрослый человек 25 лет и старше наиболее устойчив к облучению.

При попадании радиоактивных веществ внутрь организма поражающее действие оказывает в основном α-источники, а затем β- и -источники, т.е. в обратной наружному облучению последовательности. Альфа – частицы, имеющие небольшую плотность ионизации, разрушают слизистую оболочку, которая является слабой защитой внутренних органов по сравнению с наружным кожным покровом.

Радиоактивные вещества могут попасть внутрь организма при вдыхании воздуха, с зараженной пищей или водой и , наконец, через кожу, а также при заражении открытых ран. Опасность радиоактивных элементов, попадающих тем или иным путем в организм человека, тем больше, чем больше их активность. Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма, однотипны с элементами, которые потребляет человек с пищей (натрий, хлор, калий и др.), то они не задерживаются на длительное время в организме, а выделяются вместе с ними. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и др.), попавшие через легкие в кровь, не являются соединениями, входящими в состав ткани. Поэтому они полностью удаляются из организма.

Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или менее равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так, в костных тканях отлагаются источники α-излучения (радий, уран, плутоний); β-излучения (стронций, иттрий); -излучений (цирконий). Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма. Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным числом (полоний, уран и др.). Элементы, образующие в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма.

На скорость выведения радиоактивных веществ большое влияние оказывает период полураспада данного вещества Т. Если обозначить Т_б период биологического полувыведения радиоактивного изотопа из организма, то эффективный период полураспада, учитывающий радиоактивный распад и биологическое выведение. Выразится следующей формулой:

Т_эф= Т·Т_б/Т+Т_б

Т_эф может значительно отличаться от Т и Т_б, но если Т>>Т_б, то Т_эф=Т_б, и если Т<<Т_б, то Т_эф=Т.

Основные особенности биологического действия ионизирующих излучений следующие:

1. Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимы человеком. У людей отсутствует орган чувств, который воспринимал бы ионизирующие излучения. Поэтому воздействие излучений проходит без всяких первичных ощущений.

2. Видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерные для лучевого заболевания, появляются не сразу, а спустя некоторое время.

3. Суммирование доз происходит скрытно. Если в организм человека систематически будут проникать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются, что неизбежно приводит к лучевым заболеваниям.

4. МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

Для обнаружения ионизирующих излучений, измерения их энергии и других свойств применяются различные ДЕТЕКТОРЫ. Принцип работы детектора в значительной степени определяется характером эффекта, вызванного взаимодействием излучения с веществом детектора, а детектирование излучений связано с обнаружением и измерением этого эффекта.

Прохождение ионизирующих излучений через вещество сопровождается потерей их энергии в различных процессах взаимодействия с электронами и ядрами атомов. Детектор преобразует поглощенную в нем энергию в какой-либо другой вид энергии, удобный для регистрации. Обычно используются такие детекторы, в которых энергия излучения преобразуется в электрический сигнал. Рассмотрим основные виды детекторов.

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА. В простейшем случае ионизационная камера состоит из двух пластин-электродов, пространство между которыми заполняется воздухом или другим газом и является чувствительным объёмом камеры. К электродам камеры прикладывается некоторая разность потенциалов от источника постоянного напряжения.

Если к камере поднести радиоактивный источник, то его излучение, взаимодействуя с атомами и молекулами газа, заполняющего чувствительный объем, производит их ионизацию. В пространстве между электродами из электрически нейтральных атомов и молекул газа образуются электроны и положительные ионы. При неизменных условиях число пар ионов, образованных в 1 см² чувствительного объёма в единицу времени, определяется видом и мощностью ионизирующего излучения.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ. Принципиальное отличие газоразрядного счетчика от ионизационной камеры состоит в том, что в газоразрядном счетчике используется усиление ионизационного тока за счет явления ударной ионизации, в результате чего число электронов и положительных ионов, достигающих соответствующих электродов, во много раз превышает число ионов, образованных при первичной ионизации.

ХИМИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ. Основаны на измерении выхода радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующих излучений. Под выходом реакции понимают число характерных превращений (число вновь образованных атомов, ионов и т.д.) на 100 эВ поглощенной энергии. Достоинство химических детекторов заключается в возможности выбора таких веществ, которые по воздействию на них ионизирующих излучений мало отличаются от тканей. Следовательно, химические изменения, происходящие в этих веществах под действием излучения, могут служить мерой энергии излучения, поглощенной тканью. Химические детекторы могут служить для измерения больших доз γ-излучения.

ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ. Основаны на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для детектирования обычно применяют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную на целлулоидную подложку. При воздействии ионизирующих излучений на чувствительную эмульсию образуется так называемое скрытое изображение, т.е. на поверхности зерен бромистого или хлористого серебра, которое входит в состав эмульсии, происходит возникновение «центров проявления» - атомов металлического серебра. Проявление скрытого изображения заключается в восстановлении металлического серебра в зернах, содержащих центры проявления. Те зерна, в которых образовались центры скрытого изображения, практически полностью восстанавливают серебро при проявлении, что приводит к почернению чувствительного слоя. Облученная, проявленная и закрепленная пленка имеет определенную оптическую плотность почернения. Почернение пленки может быть измерено с помощью фотометра и по данным этого измерения определяется поглощенная доза D.

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ. Основаны на измерении количества теплоты, выделяемой в детекторе при поглощении энергии излучения. Вся энергия излучения, поглощаемая веществом, в конечном итоге преобразуется в теплоту при условии, что поглощающее вещество является химически инертным к излучению. Количество теплоты, выделяемой в веществе, можно измерить по повышению температуры тела ∆Т или по увеличению его объема ∆V. Потери в окружающую среду должны быть минимальными. Метод имеет довольно низкую чувствительность.

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ. Состоят из сцинтиллятора – вещества, способного испускать видимое излучение под действием заряженных частиц, и фотоэлектронного умножителя, в котором энергия этих световых вспышек (сцинтилляций) через посредство фотоэффекта преобразуется в импульсы электрического тока. Заряженные частицы, попадая в сцинтиллятор, расходуют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов или молекул сцинтиллятора, причем часть этой энергии излучается в виде фотонов видимого света, испускаемого во всех направлениях. Фотоны, попадая сквозь прозрачное окно на фотокатод, выбивают из него в результате фотоэлектрического эффекта фотоэлектроны, которые ускоряются и фокусируются электрическим полем между диодами системы умножения и фотокатодом. В результате многократного умножения число электронов, собираемых на аноде, может на несколько порядков превышать первоначальное число фотоэлектронов, образованных в результате фотоэффекта на фотокатоде. Собираемые на аноде ФЭУ электроны создают импульс напряжения на сопротивлении анодной нагрузки R, который регистрируется электронной схемой.

В настоящее время благодаря ряду преимуществ по сравнению с другими детекторами сцинтилляционные счетчики нашли широкое применение для регистрации ионизирующих излучений. К числу преимуществ относятся:

-универсальность с точки зрения возможности регистрации ионизирующих излучений практически любых видов;

-возможность измерения энергии исследуемых частиц или квантов;

-высокая разрешающая способность;

-высокая эффективность регистрации -излучения (несколько десятков процентов).