Д.А. Кривошеин, Л.А. Муравей, Н.Н. Роева, О.С. Шорина, Н.Д. Эриашвили, Ю.Г. Юровицкий, В.А. Яковлев
Экология и безопасность жизнедеятельности
Учебное пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. - 447 с.
Раздел 4. Безопасность труда
Глава 19. Защита от ионизирующих излучений
19.1. Основные характеристики ионизирующих излучений
Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со
средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Источники
этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском
хозяйстве и других областях, например, при измерении плотности почв,
обнаружении течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней,
антистатической обработке тканей, полимеризации пластмасс, радиационной терапии
злокачественных опухолей и др. Однако следует помнить, что источники ионизирующего
излучения представляют существенную угрозу здоровью и жизни использующих их
людей.
Существуют два вида ионизирующих излучений:
-
корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля
(альфа- и бета[19]-излучение
и нейтронное излучение);
-
электромагнитное (гамма(γ)-излучение и рентгеновское) с очень малой
длиной волны.
Рассмотрим основные характеристики указанных излучений. Альфа(а)-излучение
представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра
имеют массу 4 и заряд +2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при
ядерных реакциях. В настоящее время известно более 120 искусственных и
естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская альфа-частицу, теряют
2 протона и 2 нейтрона.
Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ[20].
Излучаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью
примерно 20 000 км/с.
Под длиной пробега частицы в воздухе или других средах
принято называть наибольшее расстояние от источника излучения, при котором еще можно
обнаружить частицу до ее поглощения веществом. Длина пробега частицы зависит от
заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. С
возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды длина
пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых частиц одинакова, то
тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Если частицы движутся
медленно, то их взаимодействие с атомами вещества среды более эффективно и
частицы быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.
Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см.
Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе
примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого тела, плотность
которых более чем в 700 раз превышает плотность воздуха, длина пробега
альфа-частиц составляет несколько десятков микрометров. За счет своей большой
массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию.
Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию:
при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует
несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.
Бета-излучение представляет собой поток электронов
(β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или
позитронов (β+-излучение), возникающих при радиоактивном
распаде. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов.
Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз
меньше массы альфа-частиц. В зависимости от природы источника бета-излучений
скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3 – 0,99 скорости света. Энергия
бета-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет
приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см.
Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы
и заряда). Например, для полного поглощения потока бета-частиц, обладающих
максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм.
Ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения: на 1 см
пробега бета-частиц в среде образуется несколько десятков пар заряженных ионов.
Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных
частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4
раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные
нейтроны (с энергией менее 1 КэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500
КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов
различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны
находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым
движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов
при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимодействии
нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из
заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих
взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация
вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она
существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов
промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в
биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно
120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей
способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов
корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью
потока нейтронов (нейтр./см2 • с).
Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой
электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны[21].
Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая
энергия (0,01–3МэВ) и малая длина волны обусловливает большую проникающую
способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и
магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем
альфа- и бета-излучение.
Рентгеновское излучение может быть получено в
специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей
источник бета-излучения, и др. Рентгеновские лучи представляют собой один из
видов электромагнитного излучения. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ.
В качестве примера определим длину волны γ -излучения с
энергией 0,048 МэВ.
Используя известное соотношение 1 эВ = 1,602 • 10-19Дж,
выразим энергию γ-излучения в джоулях:
(19.1)
Энергия γ-излучения определяется следующей формулой:
, (19.2)
где h – постоянная планка (h = 6,626 • 10-34 Дж-с);
v –
частота кванта электромагнитной энергии, гц;
с – скорость света (с ≈
3,00 108 м/с);
λ – длина волны, м.
Рентгеновское излучение, как и гамма-излучение, обладает
малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.
Рассмотрим основные показатели и единицы измерения,
применяемые для характеристики ионизирующих излучений. Как уже сказано выше,
при распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой скоростью. Встречая на
своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные
изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше
распадов происходит в единицу времени. Для характеристики числа распадов
вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества, под которым
понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN
в этом веществе за малый промежуток времени dt,
деленное на этот промежуток времени:
А = . (19.3)
Единицей измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7 • 1010 ядерных превращений
в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226. Гораздо
реже используется единица активности беккерель (Бк)
1 Кu
= 3,7.1011Бк.
Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на
вещество введено понятие дозы излучения. Дозой излучения называется
часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им. Количественной
характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная
доза излучения (Д), равная отношению средней энергии dE,
переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе
облученного вещества в этом объеме dm:
. (19.4)
Поглощенная доза является основной дозиметрической
величиной. В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр). 1
Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в
массе вещества, равной 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг[22].
До недавнего времени за количественную характеристику только
рентгеновского и гамма-излучения, основанную на их ионизирующем действии,
принималась экспозиционная доза Х – отношение полного электрического
заряда dQ ионов одного знака, возникающих в
малом объеме сухого воздуха, к массе воздуха dm
в этом объеме, т. е.
. (19.5)
Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на
килограмм (Кл/кг)[23].
Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом
воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной
дозы (Н). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы Д
на средний коэффициент качества излучения Q
(безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т. е.:
(19.6)
Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт[24]
(Зв). В табл. 19.1 представлены сведения о величинах коэффициента Q.
Существует еще одна характеристика ионизирующего излучения –
мощность дозы Х (соответственно поглощенной, экспозиционной или
эквивалентной), представляющая собой приращение дозы за малый промежуток
времени dx, деленное на этот промежуток dt. Так, мощность экспозиционной дозы ( Х или W, Кл/кг-с) составит:
(19.7)
Аналогично рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или
эквивалентной (Зв/с) доз.
Биологическое действие рассмотренных излучений на организм
человека различно.
Альфа-частицы, проходя через вещество и сталкиваясь с
атомами, ионизируют (заряжают) их, выбивая электроны. В редких случаях эти
частицы поглощаются ядрами атомов, переводя их в состояние с большей энергией.
Эта избыточная энергия способствует протеканию различных химических реакций,
которые без облучения не идут или идут очень медленно. Альфа-излучение
производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит
человеческий организм (жиры, белки и углеводы). На слизистых оболочках это
излучение вызывает ожоги и другие воспалительные процессы.
Под действием бета-излучений происходит радиолиз
(разложение) воды, содержащейся в биологических тканях, с образованием
водорода, кислорода, пероксида водорода Н2О2, заряженных
частиц (ионов) ОН- и НО. Продукты разложения
воды обладают окислительными свойствами и вызывают разрушение многих
органических веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.
Действие гамма- и рентгеновского излучений на биологические
ткани обусловлено в основном образующимися свободными электронами. Нейтроны,
проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по
сравнению с другими ионизирующими излучениями.
Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений
сводится к изменению структуры или разрушению различных органических, веществ
(молекул), из которых состоит организм человека. Это приводит к нарушению
биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели[25],
в результате чего происходит поражение организма в целом.
Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним
облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от
внешних по отношению к нему источников. Внутреннее облучение
осуществляется радиоактивными веществами, попавшими внутрь организма через
дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт или через кожные покровы.
Источники внешнего излучения – космические лучи, естественные радиоактивные
источники, находящиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и др.,
источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений,
используемые в технике и медицине, ускорители заряженных частиц, ядерные
реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и ряд других.
Радиоактивные вещества, вызывающие внутреннее
облучение организма, попадают в него при приеме пищи, курении, питье
загрязненной воды. Поступление радиоактивных веществ в человеческий организм
через кожу происходит в редких случаях (если кожа имеет повреждения или
открытые раны). Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока
радиоактивное вещество не распадется или не будет выведено из организма в
результате процессов физиологического обмена. Внутреннее облучение опасно тем,
что вызывает длительно незаживающие язвы различных органов и злокачественные
опухоли.
При работе с радиоактивными веществами значительному
облучению подвергаются руки операторов. Под действием ионизирующих излучений
развивается хроническое или острое (лучевой ожог) поражение кожи рук.
Хроническое поражение характеризуется сухостью кожи, появлением на ней трещин,
изъязвлением и другими симптомами. При остром поражении кистей рук возникают
отеки, омертвление тканей, язвы, на месте образования которых возможно развитие
злокачественных опухолей.
Под влиянием ионизирующих излучений у человека
возникает лучевая болезнь. Различают три степени ее: первая (легкая), вторая и
третья (тяжелая).
Симптомами лучевой болезни первой степени являются слабость,
головные боли, нарушение сна и аппетита, которые усиливаются на второй стадии
заболевания, но к ним дополнительно присоединяются нарушения в деятельности
сердечно-сосудистой системы, изменяется обмен веществ и состав крови,
происходит расстройство пищеварительных органов. На третьей стадии болезни
наблюдаются кровоизлияния и выпадение волос, нарушается деятельность
центральной нервной системы и половых желез. У людей, перенесших лучевую
болезнь, повышается вероятность развития злокачественных опухолей и заболеваний
кроветворных органов. Лучевая болезнь в острой (тяжелой) форме развивается в
результате облучения организма большими дозами ионизирующих излучений за
короткий промежуток времени. Опасно воздействие на организм человека и малых
доз радиации, так как при этом могут произойти нарушение наследственной
информации человеческого организма, возникнуть мутации[26].
Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни
возникает при эквивалентной дозе облучения приблизительно 1 Зв, тяжелая форма
лучевой болезни, при которой погибает половина всех облученных, наступает при
эквивалентной дозе облучения 4,5 Зв. 100%-ный смертельный исход лучевой болезни
соответствует эквивалентной дозе облучения 5,5–7,0 Зв.
В настоящее время разработан ряд химических препаратов
(протекторов), существенно снижающих негативный эффект воздействия
ионизирующего излучения на организм человека.
В России предельно допустимые уровни ионизирующего
облучения и принципы радиационной безопасности регламентируются «Нормами
радиационной безопасности» НРБ-76, «Основными санитарными правилами работы с
радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений»
ОСП72-80. В соответствии с этими нормативными документами нормы облучения
установлены для следующих трех категорий лиц:
-
категория А – персонал, постоянно или временно работающий с источниками
ионизирующих излучений;
-
категория Б – ограниченная часть населения, которая по условиям
размещения рабочих мест или по условиям проживания может подвергаться
воздействию источников излучения;
-
категория В – население страны, республики, края и области.
Для лиц категории А основным дозовым пределом является индивидуальная
эквивалентная доза внешнего и внутреннего излучения за год (Зв/год) в
зависимости от радиочувствительности органов (критические органы). Это
предельно допустимая доза (ПДД) – наибольшее значение индивидуальной
эквивалентной дозы за год, которое при равномерном воздействии в течение 50 лет
не вызовет в состоянии здоровья персонала неблагоприятных изменений,
обнаруживаемых современными методами.
Для персонала категории А индивидуальная эквивалентная доза (Н,
Зв), накопленная в критическом органе за время Т (лет) с начала
профессиональной работы, не должна превышать значения, определяемого по формуле:
Н == ПДД · Т.
Кроме того, доза, накопленная к 30 годам, не должна
превышать 12 ПДД.
Для категории Б установлен предел дозы за год (ПД, Зв/год),
под которым понимают наибольшее среднее значение индивидуальной эквивалентной
дозы за календарный год у критической группы лиц, при котором равномерное
облучение в течение 70 лет не может вызвать в состоянии здоровья
неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами В табл. 19.2
приведены основные дозовые пределы внешнего и внутреннего облучений в
зависимости от радиочувствительности органов.
[19]
В литературе принято обозначать альфа- и бета-частицы с помощью соответствующих
греческих букв – а-частицы и β-частицы.
[20]
МэВ – единица энергии (мега-электрон-вольт), применяемая в атомной и ядерной
физике. 1МэВ = 106 эВ (электрон-вольт). Для перевода значений энергии излучения
в систему СИ пользуются следующими соотношениями: 1 эВ = 1,60206 • 10-19 Дж; 1
МэВ = 1,60206 • 10-13 Дж.
[21]
Начиная от длины волны 2-10-2 нм в сторону коротких длин волн расположены
гамма-лучи, возникающие при радиоактивном распаде атомов. Таким образом,
электромагнитные излучения различного происхождения в этой области длин волн
перекрываются, и их называют гамма-излучением или рентгеновским излучением в
зависимости от источника.
[22]
Ранее в качестве единицы поглощенной дозы использовался рад (рд). Он
соответствовал поглощению в среднем 100 эрг.
[23]
Внесистемной единицей дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген
(р) – доза излучения, при которой суммарный заряд положительных или
отрицательных ионов, образующихся в 1,293 • 10-6 кг воздуха, равен 0,33 • 10-9
кулонов. Это соответствует образованию 2,08 • 109 пар одновалентных ионов в 1
см3 воздуха при нормальных условиях (Т= 273 К, Р = 1,01325 • 105 Па) и связано
с затратой энергии около 87 • 10-7 Дж/кг; 1P = 2,58 • 10-4 Кл/кг = 0,88 рад.
[24]
Существует специальная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент
рентгена (бэр). 1 бэр – это количество энергии любого вида излучения,
поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого
эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма-излучения; 1 Зв = 100 бэр.
[25]
Биологическое действие ионизирующих излучений зависит от числа образовавшихся
пар ионов, которое определяется поглощенной энергией излучения.
[26]
Мутация – резкое наследственное изменение организмов, меняющее их основные
признаки.
|