Способы защиты от ионизирующего излучения
Защита от негативных последствий излучения и некоторые способы уменьшения дозы облучения указаны ниже. Различают три вида защиты: защита временем, расстоянием и материалом.
Защита временем и расстоянием
Для точечного источника экспозиционная доза определяется соотношением
 из которого видно, что она прямо пропорциональна времени и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.
Отсюда следует естественный вывод: для уменьшения поражающего радиационного действия необходимо находиться как можно дальше от источника излучения и, по возможности, меньшее время.
Защита материалом
Если расстояние до источника радиации и время облучения невозможно выдержать в безопасных пределах, то необходимо обеспечить защиту организма материалом. Этот способ защиты основывается на том, что разные вещества по-разному поглощают попадающие на них всевозможные ионизирующие излучения. В зависимости от вида излучения применяют защитные экраны из различных материалов:
• альфа-частицы - бумага, слой воздуха толщиной несколько сантиметров;
• бета-частицы - стекло толщиной несколько сантиметров, пластины из алюминия;
• рентгеновское и гамма-излучения - бетон толщиной 1,5-2 м, свинец (эти излучения ослабляются в веществе по экспоненциальному закону; нужна большая толщина экранирующего слоя; в рентгеновских кабинетах часто используют резиновый просвинцованный фартук);
• поток нейтронов - замедляется в водородсодеожащих веществах, например воде.
Для индивидуальной защиты органов дыхания от радиоактивной пыли используются респираторы.
В экстренных ситуациях, связанных с ядерными катастрофами, можно воспользоваться защитными свойствами жилых домов. Так, в подвалах деревянных домов доза внешнего облучения снижается в 2-7 раз, а в подвалах каменных домов - в 40-100 раз (рис. 34.3).
При радиоактивном заражении местности контролируется активность одного квадратного километра, а при заражении продуктов питания - их удельная активность. В качестве примера можно указать, что при заражении местности более чем 40 Ки/км2 производят полное отселение жителей. Молоко с удельной активностью 2х1011 Ки/л и более не подлежит употреблению.
 Рис. 34.3. Экранирующие свойства каменного и деревянного домов для внешнего γ-излучения
Основные понятия и формулы
 Продолжение таблицы
 Окончание таблицы
| Вредное воздействиеизлучений. Излучения в медицине
Вредное действие излучения
Энергия ионизирующих излучений значительно отличается от тепловой энергии. Смертельная экспозиционная доза гамма-лучей очень незначительно изменяет температуру тела. Излучения, проходя через живые клетки, изменяют структуру важных биологических молекул. При этом длительное действие небольшой дозы излучения является более благоприятным, чем быстрое действие той же дозы, поскольку при длительном действии происходят исправления (репарация) некоторых повреждений. Большие дозы ионизирующего излучения вызывают характерные повреждения в организме человека или животных и приводят к возникновению лучевой болезни. Патогенез лучевой болезни изучен в деталях. Главным образом, первичным эффектом излучения в живых клетках является ионизация молекул воды, концентрация которых больше, чем других молекул в цитоплазме. Получая энергию излучения, молекулы воды теряют электроны и образуют положительные ионы. Свободные электроны присоединяются другими молекулами воды с образованием отрицательные ионов. H2O → H20++ e-; H2O + e-→ H20-; Такие ионы воды неустойчивы и быстро распадаются, образуя свободные радикалы (водород и гидроксил). H20- → H•+ OH-; H20+→ H++ OH• Как известно, свободные радикалы характеризуются очень большой химической активностью. Они вступают в реакцию с другими химическими веществами, образуя все большее число свободных радикалов. Также образуется перекись водорода. Это вещество известно как сильный окислитель: OH•+ OH• →H2O2 Свободные радикалы воздействуют на белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические молекулы. Это действие может состоять в разрыве цепей белков и нуклеиновых кислот или образовании в их молекулах связей с неправильной валентностью. В результате, функция этих важных биологических молекул нарушается. В живой клетке более чувствительно к ионизирующему излучению ядро, чем цитоплазма. Это было доказано в экспериментах на амебах. Первую группу животных подвергли действию летальной дозы излучения. Впоследствии их ядра были извлечены и заменены ядрами здоровых амеб, составлявших вторую экспериментальную группу. Последние, наоборот, получили ядра клеток облученных амеб. Амебы первой группы остались живыми, тогда как амебы второй группы погибли. Действие излучения является наиболее вредным в период деления клетки. Как правило, наиболее чувствительны к облучению клетки, которые растут и делятся. Это касается незрелых клеток крови, кишечного эпителия, половых клеток и т.п. Зародыши и младенцы больше подвержены вредному действию излучений, чем взрослые люди. Немедленные эффекты, вызываемые в организме человека большими дозами излучения, исследованы на жертвах взрывов атомных бомб и аварий на атомных электростанциях. Общая доза облучения тела менее 0,25 Зв не имеет заметного действия. Суммарная доза более 1 Зв вызывает нарушения кроветворения, а более 8 Зв - серьезные желудочно-кишечные нарушения. Смерть обычно наступает через несколько дней (недель), если доза составляет более чем 5 Зв, и пациент не получил никакой медицинской помощи. Высокая чувствительность к ионизирующим излучениям присуща людям и таким животным как обезьяны, лошади, собаки и т.п. Грызуны менее чувствительные и могут оставаться в живых после получения ими дозы 7-8 Зв. Рыбы и амфибии могут выдерживать дозы излучения, равные нескольким десяткам зивертов, а насекомые - сотням зивертов. Существует опасные отдаленные эффекты действия излучения. Краткосрочные сублетальные дозы и дозы, приобретенные постепенно в течение длинного периода времени, могут привести к раку после латентного периода, составляющего многие годы. При облучении дозой от 1 Зв до 5 Зв шанс смерти от рака удваивается. В разнообразных исследованиях, включающих эксперименты на животных и данные, полученные на людях, увеличение в показателе заболеваемости раком прямо пропорционально общей дозе облучения. Другие отдаленные последствия действия излучения - генетические дефекты, или мутации. Известно, что частота мутаций повышается под действием ионизирующих излучений, некоторых химических веществ и т.п. Мутации, вызванные излучением, подобны естественно происходящим. Увеличение частоты мутации приводит к повышению уровня предродовой смертности и увеличению числа детей, родившиеся с серьезными дефектами. Показано, что показатель числа мутаций пропорционален дозе, независимо от ее величины.
Хроническое действие небольших доз излучения
Все люди подвержены хроническому действию низких доз ионизирующего излучения, которое возникает от космических лучей и от радионуклидов, содержащихся в окружающей среде. Космические лучи включают почти все типы ионизирующих излучений и характеризуются большой проникающей способностью. Доза, получаемая организмами вследствие действия космических лучей, составляет почти 0,4 мЗв за год на уровне моря (в горах больше). Естественный фон излучения зависит также от концентрации радионуклидов в почве и скалах (U, Th, Ra и т.п.) Средняя доза излучения от естественных радионуклидов в США составляет 0,4 мЗв за год. Но в некоторых местах, например в Бразилии и Индии, почва имеет высокое содержимое тория, и дозы излучения в этих местах в несколько десятков раз превышают нормальные средние значения. Большое внимание уделяют радиоактивному газу радону, который растворен в подземной воде. Средняя доза излучения США от космических лучей и всех внешних радионуклидов составляет почти 0,7 мЗв за год. К естественному радиоактивному фону добавляется излучение искусственного происхождения, доза которого почти равна дозе, получаемой от излучений естественного происхождения. Наиболее существенным источником искусственного излучения является медицинская рентгенодиагностика. Действие даже малых доз излучений связано с небольшим, но реальным риском для здоровья человека. Национальный Совет США установил максимальную допустимую дозу (MДД) для рабочих, трудовая деятельность которых связана с использованием источников излучения, и широких масс населения от всего искусственного излучения (кроме используемого в медицинской диагностике и лечении). MДД для персонала, работающего с источниками излучений – 50 мЗв за год. Средняя величина MДД для населения - 1,7 мЗв за год. Излучение производственных приборов (например, ТВ, дисплеи компьютеров и т.п.) не должно подвергать население действию доз, больших, чем небольшая доля МДД. Оценено также, что медицинское облучение, используемое в рентгенологической диагностике, может быть уменьшено путем применения современных, хорошо экранированных приборов.
Излучение в медицине
Медицинская радиология является разделом медицинской науки, в котором используются излучения в диагностике и лечении болезней. Несмотря на риск, использование ионизирующих излучений в медицинских исследованиях, диагностике и терапии неоценимо. Радионуклиды, используемые в медицинской радиологии, получают в реакторах и акселераторах.
Радионуклиды в медицинских исследованиях
В настоящее время синтезируется большое число различных биологических смесей, которые содержат радионуклиды водорода, углерода, фосфора, серы и т.п. Их вводят в организм экспериментальных животных для того, чтобы исследовать биохимические и физиологические процессы. Радиоактивные изотопы, применяемые для изучения метаболизма нерадиоактивных веществ, называются следящими устройствами. Радиоактивный препарат готовится нейтронной бомбардировкой стабильного элемента, который захватывает нейтроны с образованием тяжелых радиоактивных нестабильных изотопов. Радиоактивность этих следящих устройств делает возможным проследить их магистрали и метаболизм очень точно качественно и количественно. Активный и пассивный транспорт натрия и калия, метаболизм сахаров и липидов, синтез белков и нуклеиновых кислот являются примерами фундаментальных биологических процессов, которые изучены с помощью радиоактивных следящих устройств.
Радионуклиды в диагностике
Радиоактивные следящие устройства поглощаются исследуемым органом. Детектор излучения находится за пределами органа на протяжение какого-то времени и в различных положениях. Для того чтобы минимизировать дозу, выбирают недолговечные радионуклиды. Эти радионуклиды испускают гамма-лучи с энергией, которую обнаруживают с помощью детектора. Для этого часто пригоден недолговечный радиоактивный технеций, который разрушается до стабильного состояния, испуская гамма-лучи с периодом полураспада, равным шесть часов. В составе соответствующих химических смесей радиоактивный технеций может быть направлен в различные органы. Введение радиоактивных следящих устройств позволяет изучать скорость поглощения и выведения определенных веществ сердцем, почками, печенью, мозгом, щитовидной железой и другими органами. Например, когда мочегонные средства, содержащие следящее устройство, поступают в почки, о возможных аномалиях почек могут сигнализировать изменения стандартных количеств поглощения и выделения. Сканирование щитовидной железы проводят с помощью следящего устройства сложного состава. Поскольку нефункционирующая ткань щитовидной железы не поглощает такое вещество, она образует менее радиоактивную область в щитовидной железе, что регистрируют с помощью поверхностно расположенных детекторов излучения. Для формирования изображения гамма-лучей при сканировании различных органов необходимо устройство, обнаруживающее радиоактивность поглощенного следящего устройства. Излучение из небольших областей обнаруживают специальными счетчиками. Счетчик медленно перемещают или располагают неподвижно над исследуемой областью тела, и генерирующиеся импульсы записывают на дисплее или листе бумаги. Эмиссионная позитронная томография - один из наиболее ценных методов диагностики, в котором используют радионуклиды. Этот метод основан на феномене аннигиляции, возникающем при взаимодействии позитрона с электроном, в результате чего образуются фотоны гамма излучения. Короткоживущие радионуклиды производят посредством циклотрона или другого типа акселераторов. Чаще всего используют радиоактивные изотопы кислорода, углерода или азота. Все он способны к позитронному β - распаду. Определенные химические составы, содержащие радионуклиды, вводят в интересующий орган, например, в мозг. Здесь они подвергаются метаболизму и испускают позитроны. При взаимодействии позитронов и атомных электронов происходит их взаимоуничтожение, сопровождающееся гамма излучением. Этот метод дает возможность получать точную информацию относительно метаболизма клетки в нормальном и патологическом состояниях.
Терапевтическая радиология
Делящиеся клетки наиболее чувствительны к действию ионизирующего излучения. Клетки злокачественных опухолей делятся более часто, чем клетки нормальных тканей. Быстро делящиеся раковые клетки и клетки саркомы очень чувствительны к ионизирующим излучениям. Нормальные ткани имеют большую способность восстанавливаться от эффектов ионизирующих излучений, чем клетки злокачественных опухолей. Таким образом, доза излучения достаточная, чтобы уничтожить раковые клетки, только незначительно и временно повреждает смежные нормальные клетки. Наиболее часто излучение применяют для лечения раковых пациентов совместно с хирургическим вмешательством и лечением противораковыми препаратами. Используют внешнее облучение с помощью специальных приборов – рентгеновских аппаратов; устройств, содержащих радиоактивный кобальт, или электронных акселераторов. Поверхностное облучение (по большей части посредством рентгеновских лучей) используют при лечении злокачественных болезней кожи и глаз. Гамма-лучи, испускаемые радиоактивным кобальтом, обеспечивают большую эффективную дозу облучения опухолей глубоких тканей тела. Кроме того, в опухоль могут быть имплантированы заполненные радием иглы, небольшие семена, содержащие газ радон, или провода, содержащие искусственные радионуклиды. Также используют лучи акселератора, представляющие собой поток высокоэнергетических электронов, которые депонируют большинство своей энергии в небольшую область около места их воздействия.
Источники ионизирующего излучения могут быть либо естественными, либо искусственными. Естественные источники существуют со времен формирования Земли. Искусственные источники излучения были произведены только в прошлом столетии, и сейчас вносят значительный вклад в дозы, получаемые людьми во время медицинского, профессионального облучения и облучения населения.
Естественные источники ионизирующего излучения
Каждый из нас подвергается облучению от излучения, возникшего в окружающей среде. Естественное фоновое излучение имеет три основных источника:
· Космическое излучение, котороеприходит из-за пределов Земли
· Земное излучение,котороеприходит из горной породы Земли.
· Радиоактивность в еде и питье.
Облучение естественным излучением
Космическое излучение
Космическое излучениесостоит из частиц и электромагнитного излучения. Наша атмосфера защищает нас от большого влияния космического излучения. Однако, если мы живем на высоте нескольких сот метров над уровнем моря или совершаем много полетов, то наше облучение космическим излучением увеличивается. Космическое излучение может взаимодействовать со стабильными нуклидами в атмосфере и образовывать такие нуклиды как C-14, Be-7 и H-3.
Естественные радионуклиды, образованные под действием космических лучей, называются космогенными. Вы могли слышать, что С-14 используется для определения возраста определенных органических материалов. Углерод-14 поступает в живую материю вместе со стабильным углеродом в отношении, в котором он содержится в природе. Возраст органического материала может быть определен посредством измерения соотношения углерода-14 к стабильному углероду и используя то, что период полураспада С-14 равен 5568 лет.
Земное излучение
Земное излучениеприходит из естественно возникающих радионуклидов в земной коре. Эти радионуклиды называются радионуклидами земного происхождения и имеют период полураспада порядка миллиарда лет. Они существуют со времен образования Земли. Основные нуклиды этой категории это уран-238, уран-235, торий-232 и калий-40. Первые три радионуклида имеют цепочки распадов, которые связываются с ними и называются радиоактивным рядом урана, актиния и тория соответственно. Радионуклиды урана и тория имеют более большие периоды полураспада, чем их дочерние нуклиды, и можно предположить, все вторичные радионуклиды находятся в вековом равновесии с материнским радионуклидом. Это предположение только имеет силу при условии, что материнский или дочерний радионуклиды не удаляются из первоначального материала некоторым химическим или физическим процессом.
Главная часть облучения от земного излучения вызвана радоном (радон-222) и в меньшей степени, тороном (радон -220). Радон и торон являются газами, которые формируют часть цепочек распада урана и тория. Поскольку они являются газами, то они могут просачиваться из того места, где они образованы в горной породе или в строительных материалах наших домов, и затем мы их вдыхаем наряду с их короткоживущими дочерними нуклидами. Вдыхание радона и дочерних нуклидов единственный самый большой источник облучения в мире.
Радиоактивность в пище и еде
Облучение, которое мы получаем от радиоактивности в нашем продовольствии питье, происходит главным образом благодаря калию-40. Всякий раз, когда мы едим или пьем, мы вносим естественно встречающийся калий-40 в наши тела, где он накапливается в ткани тела, в частности в мышцах. Большинство из нас имеют несколько килоБеккерелей калия-40 в наших телах.
Искусственные источники ионизирующего излучения
Наряду с естественным облучением, мы также облучаемся ионизирующим излучением, испускаемым искусственными источниками. Это такие источники как источники рентгеновского излучения, искусственные радионуклидыи источники нейтронов.
Источники рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение может испускаться, как последствия некоторых видов радиоактивного распада в веществе, но более часто производится искусственно в источниках рентгеновского излучения. В основе рентгеновских генераторов лежит явление, известного как тормозное излучение, иначе bremsstrahlung, которое является немецким словом для тормозного излучения). Тормозное рентгеновское излучение испускается, когда высокоскоростные заряженные частицы (обычно электроны) быстро замедляются ударяясь в мишень с большим атомным номером. Этот процесс происходит в рентгеновской трубке. Основные элементы современной рентгеновской трубки показываются на Рисунке 8.
Рисунок 8
Типичная рентгеновская трубка
В рентгеновской трубке, показанной выше, электроны испускаются нагреваемой металлической нитью. Электроны ускоряются интенсивным электрическим полем, создаваемым высоким напряжением, приложенным между анодом и катодом. Фокусирующая чашка фокусирует электроны на цель, которая обычно сделана металла типа вольфрама. Электроны быстро тормозятся и испускают рентгеновское излучение в широком диапазоне. В некоторых случаях, очень высоко энергичные электроны могут испускать электроны с внутренних оболочек бомбардируемых атомов. Когда это случается, испускается характеристическое рентгеновское излучение, имеющее дискретный спектр.
Рентгеновские генераторы широко распространенны как в промышленности и так и в медицине, и будут обсуждаться более подробно в модулях Части 4.
| | |
|
Поиск по сайту:
|