Радиационная и экологическая безопасность атомной энергетики

Основы радиационной дозиметрии и единицы γ-радиоактивности

Количественной характеристикой радиоактивного препарата является его активность. Активностью называется мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.

За единицу активности в системе СИ принята активность препарата, в котором происходит 1 распад в 1 секунду. Эта единица называется беккерелем (Бк) по имени французского ученого А. Беккереля, открывшего в 1896 г., что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это явление было названо радиоактивностью (1 Бк = 1 расп/с). Используются также: единица в 1 тыс. раз большая – килобеккерель (кБк), единица в 1 млн раз большая – мегабеккерель (МБк).

В настоящее время еще используется устаревшая единица – кюри (Ки). Ее происхождение относится к тому периоду, когда в распоряжении ученых был единственный радиоактивный источник – радий, впервые выделенный из продуктов распада урана в лаборатории супругов Кюри. В 1 г чистого радия распадается ежесекундно 37 млрд ядер. Поэтому радиоактивность 1 г радия и была принята за единицу; один кюри – очень большая величина, поэтому применяются производные величины в тысячу и миллион раз меньшие – милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи).

Зная радиоактивность в беккерелях, нетрудно перейти к активности в кюри и наоборот:

1 Ки = 3,7 10¹⁰ Бк;

1 мКи = 3,7 10⁷ Бк;

1 мкКи = 3,7 10⁴ кБк.

Производными единицами являются:

1 пКи = 1 10^-12 Ки;

1 нКи = 1 10^-9 Ки;

1 мкКи = 1 10^-6 Ки;

1 мКи = 1 10^-3 Ки;

1 кКи = 1 10³ Ки;

1 МКи = 1 10⁶ Ки.

Дозы облучения

Излучение и ионизация. По масштабам времени α-, β-частицы и γ-кванты существуют мгновение. Как они пропадают и куда девается их огромная энергия? Согласно закону сохранения энергии, она не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. При любых превращениях часть ее теряется в виде тепла. Энергия излучений передается веществу, в которое попала излученная из ядра элементарная частица или γ-квант. Для облученного вещества это не проходит бесследно:

• нарушаются кристаллические решетки;

• образуются отрицательные и положительные заряды;

• разрываются молекулы с наименее прочными связями.

Характерно, что α- и β-частицы растрачивают свою энергию в отдельных актах ионизации – образовании пар ионов заряженных частиц, на которые распадаются атомы. На каждую ионизацию требуется около 30 эВ. Можно подсчитать, что частица с энергией 600 КэВ на своем пути в воздухе способна создать примерно 20 тыс. пар ионов.

Радиационный эффект и дозы. В одной из своих лекций А. Беккерель заявил, что очень любит радий, но на него в обиде, так как на руках у ученого появились незаживающие язвы. Как видно, первые опыты с радиоактивными веществами были небезопасны. Не знали об опасности невидимых лучей М. Кюри и ее дочь Ирен, выделившие в чистом виде радий и полоний. Обе умерли от лейкоза. Большое количество рака легких отмечалось у шахтеров, добывающих уран. Работницы часовых заводов, раскрашивающие циферблаты часов люминесцентной краской, содержащей радий, смачивали кисточки во рту для придания им остроконечной формы. Как следствие, работницы часто заболевали лейкозом и раком костей.

Проведенные исследования позволили установить, что факторов для неблагоприятного радиационного воздействия множество:

• радиоактивность снаружи и внутри организма;

• пути ее поступления;

• вид и энергия излучения при распаде;

• биологическая роль органов и облучаемых тканей.

Показателем, связующим их, является количество поглощенной энергии излучения от ионизации, которую энергия производит в рассматриваемой массе вещества. Данная величина называется дозой.

Экспозиционная доза и ее мощность. Экспозиционная доза – это поле радиации воздуха вокруг объекта, что указывает на количественную оценку радиационной обстановки дозы излучения в воздухе. Поскольку человеческое тело имеет линейные размеры, сравнимые с пробегом частиц, необходимо учитывать пространственное распределение экспозиционной дозы каким-либо физическим методом. Оказалось, что эффективные атомные номера воздуха и мягких тканей практически совпадают. Это позволило, измеряя ионизационный эффект, производимый радиационным излучением в воздухе, оценивать ионизацию в мягкой ткани, помещенной в ту же зону излучения.

Человек может находиться на местности, загрязненной разными радионуклидами. Короткопробежные α-частицы поглотятся нижней поверхностью обуви, одежды, не затрагивая жизненно важных органов. Учитывая проникающую способность β-излучения, большая часть его поглотится одеждой и кожей. Облучение организма γ-квантами и рентгеновскими излучениями будет равномерным. Таким образом, экспозиционная доза определяется только для воздуха и только для квантового излучения (γ-кванты и рентгеновские лучи).

Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг); 1 Кл/кг – это экспозиционная доза излучения, при которой в 1 кг массы сухого воздуха при нормальных условиях создаются ионы, несущие заряд в 1 Кл (каждого знака).

В медицинской практике используется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген; 1 Р = 1000 мР или 1 000 000 мкР. Это такая доза рентгеновского или γ-излучения, которая в результате своего ионизирующего воздействия образует 2·10⁹ пар ионов в 1 см³ чистого сухого воздуха при нормальных условиях.

1 Р = 2,58 10^-4 Кл/кг;

1 Кл/кг ≈ 3880 Р.

Уровень радиации может изменяться, поэтому для количественной характеристики излучения введено понятие мощности экспозиционной дозы, которую определяют как величину дозы за определенный промежуток времени (Р/ч, мР/ч, мкР/ч). В системе СИ мощность экспозиционной дозы выражают в амперах, деленных на килограмм (А/кг). Экспозиционная доза и ее мощность используются только для измерения степени ионизации воздуха.

В случае, когда воздух загрязнен одновременно α-, β- и γ-излучением (выпадение радиоактивных осадков после взрыва или аварии), можно воспользоваться единицами концентрации радиоактивности, например Бк/м³ воздуха, а для мощности экспозиционной радиации во внешней среде применяют Бк/(м³ с) или Бк/(кг воздуха • с).

Поглощенная доза и ее мощность. В настоящее время используются новые мощные источники излучений. Кроме рентгеновских и γ-квантов, нашли применение потоки ускоренных электронов, позитронов, тяжелых заряженных частиц, а также потоки нейтронов. Поэтому необходимо знать поглощенную энергию в различных средах. При расчете дозы, полученной человеком, необходимо учитывать как внешнее, так и внутреннее облучение, так как радионуклиды могут попадать в организм с пищей, водой, вдыхаемым воздухом, при некоторых диагностических процедурах. Значит, поражающее действие будет от трех излучений, которые вызвали ионизацию в организме.

Поглощенной дозой называют энергию излучения, переданную массе вещества, т. е. количество энергии, поглощенное единицей массы облучаемого вещества. Единицей поглощенной дозы в системе СИ служит грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг; 1 грей – это доза, при поглощении которой 1 кг вещества получает 1 Дж энергии. Внесистемной единицей измерения энергии является 1 рад (Ірад = 10^-2 Гр, 1 Гр = 100 рад).

В воздухе и в мягких тканях организма человека одинаковая мощность экспозиционной дозы рентгеновского или γ-излучения (с энергией не более 3 МэВ) создает примерно одинаковое число ионов в 1 см³. Поэтому можно оценивать поглощение энергии мягкими тканями не по поглощенной дозе, а по мощности экспозиционной дозы.

Поглощенная доза в 1 рад примерно соответствует 1 Р или, точнее, 1 Р = 0,88 рад. Мощностью поглощенной дозы называется отношение поглощенной дозы ко времени.

Поглощенную дозу можно экспериментально установить в любом объекте. В человеческом организме это сделать трудно. Для этого нужны эквивалентные дозиметры с детекторами, по составу подобные органической ткани, которые размещают в полостях тела.

В настоящее время в лучевой терапии при локальном облучении используют понятие интегральной дозы. Это энергия, суммарно поглощенная во всем объеме объекта. Интегральная доза измеряется в джоулях, так как ее единица – 1 Гр кг = 1 Дж.

Эквивалентная доза и ее мощность. При одной и той же поглощенной дозе α-, р- и γ-излучение оказывают неодинаковое поражающее действие, что объясняется их различной ионизирующей способностью. Более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же дозе D радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, вводят понятие эквивалентной дозы (Н). Она определяется соотношением Н= К ·D, где К — коэффициент качества, или коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ); D — поглощенная доза.

Для рентгеновского, β- и β-излучения К = 1; для тепловых нейтронов К = 5; для быстрых нейтронов К = 10; для протонов К = 10, для α-частиц К = 20.

Единицей измерения Н в системе СИ является зиверт (Зв):

1 Зв = 1 Гр К.

Используются также производные единицы: в 1 тыс. раз меньшая – миллизиверт (мЗв), в 1 млн – микрозиверт (мкЗв). Внесистемной единицей эквивалентной дозы Н служит БЭР – биологический эквивалент рада; 1 Зв = 100 бэр; 1 бэр = 10^-2 Зв.

Если известна поглощенная доза D в радах, то ее умножение на коэффициент качества дает эквивалентную дозу Н в бэрах. Мощность эквивалентной дозы измеряется в зивертах в час (Зв/ч), миллизивертах в час (мЗв/ч), микрозивертах в час (мкЗв/ч).

Эффективная эквивалентная доза. Эквивалентная доза рассчитывается для «средней» ткани человеческого организма. При лучевой терапии злокачественных опухолей приходится рассчитывать дозу облучения отдельных органов. Важно не только попадание радиации в организм человека, но и то, какой орган при этом поражается.

Органы и ткани человеческого организма по отношению к ионизирующим излучениям имеют разную радиочувствительность. Учет радиочувствительности производят с помощью коэффициентов радиационного риска (КР). Выделяют четыре группы критических органов, для которых устанавливаются предельно допустимые дозы облучения: все тело; все органы (кроме гонад и красного костного мозга); кости; конечности. Сильнее всего поражаются красный костный мозг, яичники, семенники как ткани и органы, осуществляющие эритро- и лейкопоэз, спермато- и овогенез.

Рассматривая предлагаемые учеными КР, находим, что облучение щитовидной железы дозой 13 в приведет к такому же поражению организма, как и облучение дозой 0,03 Зв всего организма в целом.

Это важно, так как, например, при лучевой терапии, при поступлении радиоактивности с пищей, водой, вдыхаемым воздухом с последующим накоплением в определенных органах, для которых определены КР, можно вычислить эффективную эквивалентную дозу, полученную человеком, а также сделать прогноз дальнейшего лечения.

Ожидаемая доза. Значительное количество людей вынуждены жить в условиях с повышенным радиоактивным фоном.

В этой связи необходимо предвидеть, какую дозу облучения получит организм за предстоящий год, десять лет, в течение всей жизни. Это позволит оценить вероятность последствий и принять меры защиты.

Расчет ожидаемой дозы требует высокой квалификации специалиста. В данном случае необходимо учитывать:

• периоды полураспада радионуклидов и их долю в общей радиоактивности;

• способность радионуклидов накапливаться в органах и тканях и выводиться из организма;

• особенности рациона питания и уровень загрязненности продуктов;

• долю внешнего облучения и много других факторов.