Общие сведения
Ионизирующим называется излучение, которое, проходя через среду, вызывает ионизацию или возбуждение молекул среды. Ионизирующее излучение (ИИ), так же, как и электромагнитное, не воспринимается органами чувств человека. Поэтому особенно опасно, так как человек не знает, что он подвергается его воздействию.
Различают естественные и искусственные источники ионизирующего излучения.
Природное(естественное) ИИ присутствует повсюду. Оно поступает из космоса в виде космических лучей. Оно есть в воздухе в виде излучений радиоактивного радона и его вторичных частиц. Радиоактивные изотопы естественного происхождения проникают во все живые организмы и остаются в них. Ионизирующего излучения невозможно избежать. Естественный радиоактивный фон существовал на Земле всегда, и жизнь зародилась в поле его излучений, а затем – много–много позже – появился и человек. Эта природная (естественная) радиация сопровождает нас в течение всей жизни. Космическое излучение и радиоактивные вещества, находящиеся в окружающей нас среде, являются источниками внешнего излучения. Радиоактивные вещества, содержащиеся в теле человека или поступающие в организм с вдыхаемым воздухом, пищей или водой, обуславливают внутреннее облучение.
Физическое явление радиоактивности было открыто в 1896 г. А. Беккерелем и сегодня оно широко применяется во многих областях. Источники ионизирующих излучений применяют для контроля качества сварных соединений, борьбы со статическим электричеством, дефектоскопии металлов, определения уровня агрессивных сред в замкнутых объёмах и др. Их используют в сельском хозяйстве, атомной энергетике, медицине и геологической разведке. Знаки «выхода» в зданиях и самолётах благодаря содержанию радиоактивного трития светятся в темноте в случае внезапного отключения электричества. Многие приборы пожарной сигнализации в жилых домах и общественных зданиях содержат радиоактивный америций.
Различают ИИ электромагнитное (фотонное) и корпускулярное.
К электромагнитному относятся рентгеновское и гамма– излучение;
корпускулярное - представляет собой поток частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа– и бета–частиц, протонов, нейтронов и др.).
Наиболее известны альфа–частицы (представляющие собой ядра гелия и состоящие из двух протонов и двух нейтронов), бета–частицы (представляющие из себя электрон) и гамма– излучение (представляющее кванты электромагнитного поля определенного диапазона частот).
Альфа(α)–частица тяжёлая и обладает высокой энергией, это ядро атома гелия. Бета–частица примерно в 7336 раз легче альфа–частицы, но может обладать также высокой энергией. α–излучение – это поток положительно заряженных частиц ядер атомов гелия, скорость которых составляет примерно 20000 км/с. Этот поток обладает большой ионизирующей способностью. Длина пробега частиц в воздухе составляет примерно 10 см, а в других средах ещё меньше. Из–за высокой ионизирующей способности α – частицы крайне опасны при попадании внутрь организма, а также для глаз и слизистых оболочек.
Бета(β)–излучение – это потоки электронов и позитронов. Частота волны рентгеновского излучения составляет 1,5·1017…5·1019 Гц, а гамма–излучения – более 5·1019 Гц. β–излучение – это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), скорость которого достигает скорости света. Проникающая способность этих частиц выше, чем у α–частиц, но ионизирующая способность ниже, чем α–излучения.
Нейтронное излучение – поток нейтральных (незаряженных) частиц с массой, близкой к массе атома водорода. Различают медленные нейтроны (с энергией менее 0,5 кэВ), промежуточные нейтроны (от 0,5 до 200 кэВ) и быстрые нейтроны (200 кэВ до 20 МэВ).
Фотонное излучение – это поток электромагнитных колебаний, которые распространяются в вакууме с постоянной скоростью 300000 км/с. К нему относятся γ–излучение и рентгеновское излучение. Различие между ними определяются условиями образования, а также длиной волны и энергией. Характерной особенностью данного вида излучения является большая глубина проникновения и малая ионизирующая способность (меньше чем α и β – излучения).
Ионизирующие излучения имеют ряд общих свойств, два из которых являются наиболее важными: способность проникать через материалы различной толщины; ионизировать воздух и живые клетки организма.
Мерой радиоактивности какого–либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени, является активность:
А=dN/dt,
где dN – ожидаемое значение числа спонтанных ядерных переходов с данного уровня энергии за отрезок времени dt. Единицей активности является беккерель (Бк), 1 Бк равен одному распаду в секунду. Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) составляет 3,7·1010 Бк. Время, в течении которого распадается в среднем половина исходных атомов, называется периодом полураспада T1/2.
Основным параметром, характеризующим поражающее действие проникающей радиации, является доза излучения.
Доза излучения – это количество энергии ионизирующих излучений, поглощенной единицей массы облучаемой среды. Различают экспозиционную, поглощенную, эквивалентную и эффективную дозы.
Экспозиционная доза Dэ представляет собой отношение полного заряда Q ионов одного знака, возникающих в малом объёме воздуха к массе m воздуха в этом объёме (обычно берут отношение компонентов dQ и dm):
Dэ=dQ/dm.
За единицу Dэ принимают кулон на килограмм (Кл/кг). Применяют и внесистемную единицу рентген (Р), 1Р=2,58·10–4 Кл/кг.
Биологическое действие ИИ на живой организм определяется поглощённой дозой излучения Dпогл, представляющей собой отношение средней энергии dЕ, переданной излучением веществу, к единице массы вещества:
Dпогл=dЕ/dm.
Единицей поглощённой дозы является грей (Гр), 1Гр=1 Дж/кг. Применяется также единица рад, 1рад=0,01 Гр. Для наглядного представления о величине энергии равной 1 Дж вспомним, что 1 Дж – это кинетическая энергия, которую приобретает тело массой 100 г при свободном падении с высоты, равной 1 м, или 1 Дж – это энергия, которая необходима, чтобы повысить температуру 1 г воды на 0,24 0С. Поглощённая доза является основной дозиметрической величиной, характеризующей не самоизлучение, а его воздействие на вещество. Поглощённая доза не отражает в полной мере действия ИИ на живой организм, так как биологический эффект зависит не только от величины поглощённой энергии, но и от ряда других параметров, обусловленных характером и условиями облучения (равномерность распределения в организме, плотность ионизации, дробность облучения, мощность дозы и др.). Плотность ионизации является главным фактором, поскольку число пар ионов, образованных на единицу пути, в веществе у α– частиц существенно больше, чем у β–частиц (электронов), то биологический эффект при одной и той же дозе (величине поглощённой энергии) будет больше при облучении α–частицами, чем β–частицами или γ–излучением. Действие ИИ на организм зависит от пространственного распределения поглощённой энергии, характеризуемого линейной передачей энергии заряженных частиц в среде.
Радиационную опасность хронического действия излучения произвольного состава оценивают по эквивалентной дозе Dэкв облучения, определяемой как произведение поглощённой дозы на средний коэффициент качества Кк излучения в данной точке ткани:
Dэкв=Dпогл·Кк
Измеряют эквивалентную дозу в зивертах (Зв=Дж/кг). Применяют также биологический эквивалент рада (бэр), 1 бэр=0,01 Зв. Зиверт равен эквивалентной дозе излучения, при которой поглощённая доза равна 1 Гр и коэффициент Кк=1. Отнесённые к единице времени поглощённая экспозиционная и эквивалентная дозы представляют собой мощности соответствующих доз. Коэффициент качества Кк, используемый для сравнения биологического действия различных видов излучения при обосновании радиационной защиты, – безразмерный параметр, который характеризует зависимость неблагоприятных последствий облучения человека в малых дозах от полной линейной передачи энергии излучения. Значения Кк для некоторых видов излучения при длительном облучении всего тела следующие: фотоны, электроны и ионы любых энергий – 1; нейтроны с энергией от 10кэВ до 100 кэВ и 2 МэВ до 20 МэВ – 10, от 100 кэВ до 2 МэВ – 20, менее 10 кэВ и более 20 МэВ – 5; α–частицы, осколки деления, тяжёлые ядра – 20.
При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для R видов излучения:
Dэкв=ΣDэкв·R.
В ряде случаев облучению подвергается не всё тело, а один или несколько органов. Такая ситуация чаще всего реализуется при внутреннем облучении, т.е. при поступлении радионуклидов в организм с вдыхаемым воздухом или пищевыми продуктами. Радионуклид, ка и неактивный нуклид данного химического элемента, накапливается в том или ином органе. В частности радионуклиды йода поступают преимущественно в щитовидную железу, радия и стронция – в костную ткань, полония – в печень, селезёнку, почки и т.д.
Поскольку органы и ткани человека обладают различной радиочувствительностью, то для оценки риска возникновения отдалённых последствий при облучении всего организма или отдельных органов используется понятие эффективной эквивалентной дозы (Е). Единица этой дозы – зиверт (Зв). Она также как и эквивалентная доза применима только для хронического облучения в малых дозах и является мерой оценки ущерба для здоровья по выходу отдалённых последствий.
По определению:
E=ΣDэкв·WT, а ΣWT=1,
где Dэкв – эквивалентная доза в органе или ткани Т;
WT – взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т, который характеризует относительный риск на единицу дозы по выходу отдалённых последствий при облучении данного органа по отношению к облучению всего тела.
Значения WT для различных видов излучения составляют:
гонады – 0,20;
красный костный мозг, лёгкие, толстый кишечник, желудок – 0,12;
молочные железы женщин, щитовидная железа, печень, пищевод, мочевой пузырь – 0,05;
клетки костных поверхностей, кожа – 0,01;
прочие органы – 0,05.
Из представленных данных следует, что при облучении, например, только щитовидной железы (WT=0,05) эффект по отдалённым последствиям будет составлять всего 5 % от того эффекта, который может быть реализован при облучении всего тела. Соответственно он равен 20 % для гонад, 12 % для лёгких и т.д.
Биологическое действие ИИ.
Радиоактивные излучения разного типа с разным энергетическим спектром характеризуются разной проникающей и ионизирующей способностью. Эти свойства определяют характер их воздействия на живое вещество биологических объектов.
При изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности:
– высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии вызывают глубокие биологические изменения в организме;
–наличие скрытого (инкубационного) периода. Этот период называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность часто его сокращается при облучении в больших дозах;
– действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией;
– излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект;
– различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,002 – 0,005 Гр уже наступают изменения в крови;
– не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение;
– облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.
ИИ при воздействии на организм приводит к сложным физическим, химическим и биологическим процессам в тканях. При этом происходит ионизация атомов и молекул живой материи, в частности молекул воды, содержащихся в органах и тканях, что ведёт к нарушению нормального течения биологических процессов и обмена веществ в организме. Поглощённые дозы излучения и индивидуальные особенности организма определяют обратимые и необратимые процессы в нём. При малой дозе поражённая ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Длительное воздействие доз, превышающих предельно допустимые, вызывает необратимые поражения отдельных органов или всего организма, проявляемые в хронической форме лучевой болезни.Отдалёнными последствиями лучевого поражения могут быть лучевые катаракты, злокачественные опухоли и др.
Биологические изменения в организме вызывает любой вид ИИ как при внешнем (источник находится вне организма), так и при внутреннем облучении (радиоактивные вещества поступили через органы дыхания или ротовую полость в организм). При однократном облучении всего тела в зависимости от суммарной поглощённой дозы излучения возможны следующие биологические нарушения:
до 0,25 Гр (25 Бэр) – видимых нарушений нет;
0,25 – 0,50 Гр (25–50 Бэр) – возможны изменения в крови;
0,50–1,00 Гр (50–100 Бэр) –изменения в крови, нарушается нормальное состояние, трудоспособность;
1,00–2,00 Гр (100–200 Бэр) –лёгкая форма лучевой болезни, скрытый период до 1 месяца, слабость, головная боль, тошнота, восстановление крови через 4 месяца;
2,00–3,00 Гр (200–300 Бэр) –средняя форма лучевой болезни, через 2–3 часа признаки легкой формы лучевой болезни, расстройство желудка, депрессия, нарушения сна, повышение температуры, кровотечение из десен, колики, кровоизлияние, восстановление через 6 месяцев. Возможен смертельный случай;
3,00–5,00 (300–500 Бэр) – тяжёлая форма лучевой болезни, через час неукротимая рвота, все признаки лучевой болезни проявляются резко: озноб, отказ от пищи. Смерть в течение месяца составляет 50–60% от облучённых;
более 5,00 Гр (более 500 Бэр) – крайне тяжёлая форма лучевой болезни, через 15 мин. неукротимая рвота с кровью, потеря сознания, понос, непроходимость кишечника. Смерть наступает в течении 10 суток (100 % от общего числа пострадавших).
При облучении в 100–1000 раз превышающую смертельную, человек погибнет во время облучения: «смерть под лучом».
С увеличением мощности дозы и времени облучения поражающее действие излучения возрастает; фракционирование дозы облучения во времени снижает его поражающее действие.
В зависимости от радиочувствительности органы человека разделены на 3 группы:
I – тело\ туловище человека, красный костный мозг, гонады (наиболее чувствительны);
II – мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезёнка;
III – кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени, стопы.
Различают следующие эффекты воздействия ИИ на организм человека:
соматические эффекты – острая лучевая болезнь, местные лучевые поражения;
сомато–стохастические эффекты – злокачественные опухоли, нарушения развития плода, сокращение продолжительности жизни;
генетические эффекты – генные мутации, хромосомные аберрации.
В зависимости от условий облучения могут наблюдаться острая и хроническая форма лучевой болезни.
Хроническая лучевая болезнь формируется постепенно при длительном облучении дозами, превышающими ПД для профессионального облучения. Она подразделяется на три степени:
I степень– характеризуется нервно–регуляторными нарушениями сердечно– сосудистой системы и нестойкими изменениями в формуле крови;
II степень– наблюдается углубление нервно–регуляторных нарушений с появлением функциональной недостаточности пищеварительных желез, сердечно–сосудистой и нервной систем, нарушение некоторых обменных процессов, стойкими изменениями в формуле крови;
III степень– развивается анемия, возникают атрофические процессы в слизистой желудочно–кишечного тракта.
Острая лучевая болезнь наблюдается при общем кратковременном облучении в дозах 1 Гр и более. По тяжести поражения различают четыре степени острой лучевой болезни:
I степень (лёгкая)– развивается при дозе излучения от 1 до 2 Гр; первая реакция наблюдается через 2–3 часа после облучения у 30–50% пострадавших; характер первичной реакции – несильная тошнота с одно–двукратной рвотой, стихает в день воздействия, длительность латентного периода составляет 4–5 недель; период разгара болезни характеризуется умеренным изменением в формуле крови. Прогноз: 100% выздоровление даже при отсутствии лечения.
II степень (средняя)– возникает при дозе 2–4 Гр; первичная реакция наступает через 1–2 часа у 70–80% пострадавших, длится до 1 суток: характер первичной реакции – рвота 2–3 раза, слабость, недомогание, порой температура; длительность латентного периода составляет 3–4 недели; период разгара характеризуется сильной лейко–и тромбоцитопией, кровоточивостью, астеническим синдромом, возможны инфекционные осложнения, а при дозе от 3 Гр и выше – эпилепсия. Прогноз: выздоровление у 100% при лечении.
III степень (тяжёлая) – наблюдается при дозе 4–6 Гр; первичная реакция наступает через 20–40 минут и длится до 2–х суток; характер первичной реакции – многократная рвота, значительное недомогание, температура тела до 38 0С; длительность латентного периода до 10–20 суток, однако уже с первой недели возможно поражение слизистой рта и зева, эритема кожи; вторичная реакция (2–3 недели) характеризуется резким падением количества гранулоцитов и тромбоцитов, лихорадкой, тяжелыми инфекционными геморрагическими осложнениями. Прогноз: выздоровление возможно у 50–80% при лечении.
IV степень (крайне тяжёлая) развивается при дозе от 6–10 Гр; первичная реакция выражена через 20–30 минут, длится до 3–4 суток: характер первичной реакции – эритема кожи и слизистых, жидкий стул, температура тела 38 0С и выше: латентный период выражен нечетко, к 3–4 суткам сохраняется слабость, быстрая утомляемость; в период разгара (с 8–12 суток) развивается тяжелое поражение органов кроветворения, могут выявляться кишечные нарушения, жидкий стул т.п. Прогноз: выздоровление возможно у 30–50% пострадавших при условии раннего лечения.
Лечебные и санитарно–профилактические мероприятия являются важным условием обеспечения радиационной безопасности. Медицинское обеспечение радиационной безопасности включает медицинские обследования (медосмотры), профилактику заболеваний, а в случае необходимости, лечение и реабилитацию лиц, у которых выявлены отклонения в состоянии здоровья. Женщины на весь период беременности должны освобождаться от работы с источниками ИИ. Отказ работника от прохождения профилактических медицинских осмотров является основанием для отстранения его от работы. Медицинское обследование лиц из населения, подвергшихся за год облучению в эффективной дозе более 200 мЗв или с накопленной дозой более 500 мЗв от одного из основных источников облучения, организуется территориальным управлением здравоохранения. Соблюдение норм и правил радиационной безопасности, систематический радиационный контроль, а также выполнение правил гигиены являются необходимыми условиями обеспечения безопасных условий труда лиц, работающих с источниками ИИ.
Для укрепления здоровья персонала и населения, подвергшегося значительному облучению, необходимо включать в рацион питания пищевые добавки с антиканцерогенным и иммуннопротекторным действием, рекомендованные к применению Минздравсоцразвития России.