Блок информации к занятию № 10
Тема: «Ионизирующие излучения, их характеристики. Методы измерений».
Среда обитания человека – мир излучений, которые представляют собой перенос энергии через пространство в виде электромагнитных волн или субатомных частиц. Человек адаптирован к излучениям в определенном диапазоне.
Ионизирующее излучение – излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков и свободных радикалов. Это поток частиц или квантов, способных прямо или косвенно вызывать ионизацию окружающей среды.
Ионизирующее излучение объединяет разные по своей физической природе виды излучений. Среди них выделяются элементарные частицы (электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мезоны и др.), более тяжелые многозарядные ионы (a-частицы, ядра бериллия, лития и других более тяжелых элементов); излучения, имеющие электромагнитную природу (g-лучи, рентгеновские лучи).
Различают два типа ионизирующих излучений: корпускулярное и электромагнитное.
Корпускулярное излучение – представляет собой поток частиц (корпускул), которые характеризуются определенной массой, зарядом и скоростью. Это электроны, позитроны, протоны, нейтроны, ядра атомов гелия, дейтерия и др.
Электромагнитное излучение - поток квантов или фотонов (g-лучи, рентгеновские лучи). Оно не имеет ни массы, ни заряда.
Электромагнитное излучение можно подразделить на:
Неионизирующее излучение – ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный свет, радиоволны.
Ионизирующее излучение – альфа, бета, протонное, нейтронное, гамма и рентгеновское излучения.
Различия между ионизирующим и неионизирующим излучениями в энергии. Если энергия излучения равна или больше 34 электрон-вольт (эВ), - это излучение способно к ионизации атомов с образованием ионов разных знаков.
Таким образом, ионизирующие излучения характеризуются определенной энергией излучения, измеряемой в эВ. Электрон-вольт (эВ) – это внесистемная единица энергии, которую приобретает частица с элементарным электрическим зарядом при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 вольт
1эВ=1,6 х 10-19 Дж = 1,6 х 10-12 эрг.
Основными свойствами ионизирующих излучений является способность при прохождении через любое вещество вызывать образования большого количества свободных электронов и положительно заряженных ионов (т.е. ионизирующая способность). В практической деятельности для оценки эффекта действия ионизирующего излучения основными характеристиками его является проникающая и ионизирующая способность.
Для понимания этих процессов с целью активного влияния на них необходимо знать, что частицы или квант высокой энергии выбивают обычно один из электронов атома, который уносит с собой единичный отрицательный заряд. При этом оставшаяся часть атома или молекулы, приобретя положительный заряд (из-за дефицита отрицательно заряженной частицы), становится положительно заряженным ионом. Это так называемая первичная ионизация.
Выбитые при первичном взаимодействии электроны обладая определенной энергией сами взаимодействуют со встречными атомами, превращают их в отрицательно заряженный ион (происходит вторичная ионизация). Электроны, которые потеряли в результате столкновений свою энергию, остаются свободными. Первый вариант (образование положительных ионов) происходит лучше всего с атомами, у которых на внешней оболочке имеется 1-3 электрона, а второй (образование отрицательных ионов) – с атомами, у которых на внешней оболочке имеется 5-7 электронов.
Таким образом, ионизирующий эффект – главное проявление действия радиации высоких энергий на вещество. Именно поэтому радиация и называется ионизирующей (ионизирующими излучениями).
Ионизация возникает как в молекулах неорганического вещества, так и в биологических системах. Для ионизации большинства элементов, которые входят в состав биосубстратов (это значит для образования одной пары ионов) необходимо поглощение энергии в 10-12 эВ (электрон-вольт). Это так называемый потенциал ионизации. Потенциал ионизации воздуха равен в среднем 34 эВ.
В тех случаях, когда энергии частицы (фотона) недостаточно для того, чтобы электрон преодолел притяжение атомного ядра и вылетел за пределы атома, (энергия излучений меньше потенциала ионизации) ионизация не происходит, и отдает излишнюю энергию в виде кванта свечения (ультрафиолетового или видимого). Общепринято название радиации высоких энергий: «ионизирующая », что подчеркивает ее главное свойство.
Второе название радиации – «проникающая » – характеризует способность излучений высокой энергии, прежде всего, рентгеновских и g-лучей, проникать в глубину вещества, в частности, в тело человека. Глубина проникновения ионизирующего излучения зависит, с одной стороны, от природы излучения, заряда составляющих его частиц и энергии, а с другой – состава и плотности облучаемого вещества.
Ионизирующие излучения обладают определенной скоростью и энергией. Одной из важных особенностей биологического воздействия ионизирующей радиации является невидимость, неощутимость. В этом и заключается их опасность, человек ни визуально, ни органолептически не может обнаружить воздействие излучений. В отличие от лучей оптического диапазона и даже радиоволн, которые вызывают в определенных дозах нагревание тканей и ощущение тепла, ионизирующие излучения даже в смертельных дозах нашими органами чувств не фиксируется. Правда, у космонавтов наблюдались косвенные проявления действия ионизирующей радиации – ощущение вспышек при закрытых глазах – за счет массивной ионизации в сетчатке глаза. Таким образом, ионизация и возбуждение – основные процессы, в которых тратится энергия излучений, поглощаемая в облучаемом объекте.
Возникшие ионы исчезают в процессе рекомбинации, это значит воссоединения положительных и отрицательных ионов, в котором образуются нейтральные атомы. Как правило, процесс сопровождается образованием возбуждаемых атомов.
Характеристика отдельных видов излучений.
Альфа-излучение – поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия - 24Не), которые движется со скоростью около 20000 км/с. Альфа-лучи образуются при радиоактивном распаде ядер элементов с большими порядковыми номерами, при ядерных реакциях, превращениях и первичном космическом излучении. Пробег a-частиц в веществе зависит от их энергии и от природы вещества, в котором они движутся. В среднем в воздухе пробег составляет 2-10см, в биологической ткани – несколько микрон.
Так как a-частицы массивны и обладают относительно большой энергией, путь их в веществе прямолинейный, они вызывают сильно выраженный эффект ионизации. В биологической ткани на пути в 1-2 микрона также создается до 40000 пар ионов. Вся энергия передается клеткам организма, нанося ему огромный вред.
Альфа-частицы задерживаются листом бумаги и практически не могут проникать через внешний (наружный) слой кожи, они поглощаются роговым слоем кожи. Поэтому a-излучение не представляет опасности до той поры, пока радиоактивные вещества, излучающие a-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом – тогда они становятся чрезвычайно опасными. Т.о. альфа частицы обладают высокой ионизирующей способностью, но низкой проникающей способностью. При работе с альфа излучателями надо предотвратить их поступление во внутрь организма, путем защиты органов дыхания и покровов кожи.
Бета-излучение - Бета-частицы - это поток электронов или позитронов, обладающий большей проникающей и меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и сразу же излучаются оттуда со скоростью, близкой к скорости света. При средних энергиях пробег бета-частиц в воздухе составляет несколько метров, в воде - 1-2 см, в тканях человека - около 1 см, в металлах - 1 мм.
Бета-частица (β-частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки.
Бета-частицы на пути своего движения реже сталкиваются с нейтральными молекулами, поэтому их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-излучения. Потеря же энергии при этом происходит медленнее и проникающая способность в тканях организма больше (1-2 см). Энергия бета-излучения меньше чем у альфа-излучения, проникающая способность бета-частиц больше чем у альфа-частиц, а заряд и масса меньше. Ионизирующая способность бета-частиц значительно ниже, чем альфа-частиц. Степень ионизации зависит от скорости: меньше скорость – больше ионизация.
Бета-излучение опасны для человека, особенно при попадании радиоактивных веществ на кожу или внутрь организма.
Нейтронное излучение - излучение, состоящее из нейтронов, т.е. нейтральных частиц. Нейтроны образуются при ядерных реакциях (цепной реакции деления ядер тяжелых радиоактивных элементов, при реакциях синтеза более тяжелых элементов из ядер водорода). Нейтронное излучение является косвенно ионизируемым; образование ионов происходит не под действием самих нейтронов, а под действием вторичных тяжелых заряженных частиц и гамма-квантов, которым нейтроны передают свою энергию. Нейтронное излучение чрезвычайно опасно вследствие своей высокой проникающей способности (пробег в воздухе может достигать несколько тысяч метров). Кроме того нейтроны могут вызвать наведенную радиоактивность (в том числе и в живых организмах), превращая атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы. От нейтронного облучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (графит, парафин, вода и т.д.).
В зависимости от энергии различают следующие нейтроны:
1. Сверхбыстрые нейтроны с энергией в 10-50 МэВ. Они образуются при ядерных взрывах и работе ядерных реакторов.
2. Быстрые нейтроны, энергия их превышает 100 кэВ.
3. Промежуточные нейтроны – энергия их от 100 кэВ до 1 кэВ.
4. Медленные и тепловые нейтроны. Энергия медленных нейтронов не превышает 1 кэВ. Энергия тепловых нейтронов достигает 0,025 эВ.
Нейтронное излучение используют для нейтронной терапии в медицине, определения содержания отдельных элементов и их изотопов в биологических средах и т.д. В медицинской радиологии используются главным образом быстрые и тепловые нейтроны, в основном используют калифорний-252, распадающийся с выбросом нейтронов со средней энергией в 2,3 МэВ.
Гамма-излучение - это вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны - < 5×10−3 нм. Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Оно испускается ядрами атомов при альфа и бета распаде природных искусственных радионуклидов. По свойствам гамма-излучение близко к рентгеновскому излучению, но обладает большей скоростью и энергией. Скорость распространения в вакууме равняется скорости света – 300 000 км/с. Так как гамма-лучи не имеют заряда, то в электрическом и магнитном полях не отклоняются, распространяясь прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Энергия гамма-излучения колеблется от десятков тысяч до миллионов электрон-вольт. Гамма-излучение обладает низкой ионизирующей способностью, оно меньше, чем у альфа- и бета-частиц, но большой проникающей способностью и свободно проходят через тело человека и зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевые болезни.
Для практической деятельности важно, то, что гамма–излучение может способствовать возникновению стохастических эффектов облучения включая различные виды онкологических заболеваний, но в то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Эта двойственность обусловлена дозой облучения, видом заболевания, степенью поражение и др. Так же гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.
Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).
Рентгеновские излучения. Рентгеновские лучи были открыты Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895г. Рентгеновское излучение – это квантовое электромагнитное излучение с длинной волны 0,001-10нм.
Рентгеновское излучение представляет собой совокупность характеристического и тормозного излучений с диапазоном энергии 1 кэВ – 1 МэВ.
Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным спектром, которое возникает при изменении энергетического состояния электрона в атоме с переходом его на энергетически более выгодную орбиту. Характеристические рентгеновские излучения возникают, когда быстрые электроны проникают вглубь атома и выбивают электрон из внутренних уровней (К, L и даже М). Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних уровней заполняют освободившиеся места во внутренних уровнях и при этом излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергии атома в возбужденном и основном состоянии (не превышающем 250 кэВ). Т.е. характеристическое излучение возникает при перестроении электронных оболочек атомов. При различных переходах атомов из возбужденного состояния в невозбужденное, избыток энергии может также испускаться в виде видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.
Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Тормозное излучение возникает при торможении быстрых электронов в электростатическом поле ядра атомов (т.е. при взаимодействие электронов с ядрами атомов). При прохождении электрона больших энергий вблизи ядра наблюдается рассеяние (торможение) электрона. Скорость электрона снижается и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного рентгеновского излучения. Этот принцип возникновения рентгеновского излучения при торможении электронов на аноде используется в рентгеновских трубках. Тормозное излучение возникает в любой среде, окружающей источник бета-излучения.
Излучение с длинной волны, превышающей 0,2 нм условно называют «мягким» рентгеновским излучением, а до 0,2 нм – «жестким». Энергия рентгеновского излучения обычно не превышает 500 кэВ. Так как рентгеновские лучи обладают малой длиной волны и меньше поглощаются в веществе, то они обладают большей проникающей способностью.
При прохождении через ткани рентгеновское излучение быстро поглощается, и доза, полученная тканями и органами зависит от расстояния до источника излучения. Это имеет значение при определении дозы облучения для человека при рентген-диагностики и рентген-терапии.
Дозой облучения называется часть энергии ИИ, которая расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул любого облученного объекта. Мощность дозы - это доза в единицу времени.
Для установления закономерности воздействия распространения и поглощения ИИ в среде, в том числе, и в биологической ткани введены следующие основные характеристики: экспозиционная доза, мощность экспозиционной дозы, поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, эквивалентная доза, эффективная доза, коллективная эквивалентная и эффективная дозы.
Экспозиционная доза.
Понятие возникло в прошлом веке и применяется к гамма- и рентгеновскому излучениям. Это доза квантового излучения, определяемая числом ионов, образовавшихся при ионизации воздуха. Характеризуется количеством пар ионов, возникших после облучения воздуха в условиях электрического равновесия. Выражается в рентгенах (Р). 1 Р - это доза рентгеновского или гамма-излучения, создающая в 1 см3 воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт.ст. 2,08-109 пар ионов с зарядом в 1 электростатическую единицу каждого знака. Шкала некоторых дозиметров показывает мощность экспозиционной дозы, т.е. дозу в единицу времени в виде Р/час. Единица «рентген» по-прежнему широко используется, так как путем расчетов позволяет легко переходить к единицам других видов доз (поглощенной, эквивалентной, эффективной).
В Международной системе единиц (СИ) используется единица кулон/кг воздуха (Кл/кг, C/kg). 1 Кл/кг - это доза фотонного излучения, при которой сумма электрических зарядов всех ионов одного знака в облученном воздухе массой 1 кг равна 1 кулону. Это крупная единица, она указывается в паспортах источников излучения.
1 Кл/кг = 3,88*103 Р.
1Р = 2,58*104 Кл/кг.
Поглощенная доза.
Так как степень лучевых поражений, развивающихся в живых объектах, зависит от величины поглощенной энергии ИИ, для характеристики этой энергии используется показатель «поглощенная доза». Поглощенная доза - величина энергии ионизирующего излучения, поглощенная элементарным объемом облучаемого тела (тканями организма, веществом), в пересчете на единицу массы вещества в этом объеме.
Хотя поглощенная доза имеет практическое применение в медицине для живых объектов, она может быть определена для любых сред, органических и неорганических, находящихся в любом агрегатном состоянии - газообразном, жидком, твердом.
За единицу поглощенной энергии ранее широко использовали внесистемную единицу - рад (radiation absorbed dose - rad, доза поглощенной радиации). 1 рад равен 100 эргам энергии, поглощенной 1 граммом вещества.
Сейчас используют системную единицу Грей (Гр, Gy), названнную в 1975 году в честь английского физика.
1 Гр = 100 радам = 1 джоулю энергии, поглощенной 1 кг вещества. 1сГр (10-2 Гр) = 1рад.
Мощность поглощенной дозы - это поглощенная доза, полученная за 1 единицу времени (например, Гр/сек). У источника ИИ мощность может быть известна. Применительно к человеку поглощенную дозу чаще используют для характеристики острого кратковременного внешнего облучения.
Эквивалентная доза.
Понятие возникло в результате изучения повреждающего эффекта ИИ на биологические объекты. Разные виды ИИ при одинаковых поглощенных дозах дают разный повреждающий биологический эффект. Чтобы сопоставить радиационную опасность любого вида ионизирующего излучения с рентгеновским или гамма- излучением используется понятие эквивалентная доза. Эквивалентная доза - это поглощенная доза в органе и ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, который иногда называют еще коэффициентом качества излучения.
Эквивалентную дозу можно рассчитать только для биологических объектов. В качестве критерия биологической эффективности действия ИИ чаще всего принимают число хромосомных аберраций в клетках, хотя могут быть использованы и некоторые другие.
При воздействии на организм различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.
Ранее использовали внесистемную единицу эквивалентной дозы - бэр(биологический эквивалент рада). Бэр - эквивалентная доза любого вида ИИ, которая имеет такую же биологическую эффективность как 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.
В системе СИ сейчас используется новая единица эквивалентной дозы - Зиверт (Зв, Sv), названная в честь шведского исследователя. 100 бэр = 1 Зв. Так как Зв - большая единица, используют дольные производные. 1 сЗв (10-2 Зв) = 1 бэр. Существует понятие мощность эквивалентной дозы, это - эквивалентная доза, полученная в единицу времени.
Эффективная доза.
Эффективная доза представляет собой разновидность эквивалентной дозы, рассчитываемой для всего тела, поэтому первоначально использовали термин «эффективная эквивалентная доза» (ЭЭД). Эффективная доза (ЭД) позволяет оценить ущерб здоровью человека, прежде всего, при расчете риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека с учетом радиочувствительности отдельных его органов и тканей. Расчет эффективной дозы особенно важен при неравномерном облучении тела.
ЭД необходима, в первую очередь, для оценки канцерогенности и генетической патологии. Например, при одинаковой эквивалентной дозе излучения на легкие и щитовидную железу возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому при расчете эффективной дозы на все тело, эквивалентные дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разными тканевыми коэффициентами (0,12 – костный мозг и легкие, 0,05 - печень и 0,01 - кожа). Эти коэффициенты радиационного риска отражают естественную склонность органа к малигнизации под воздействием радиации. Для их вычисления были использованы большие статистические материалы по опухолям.
ЭД для всего тела определяется как сумма произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты для данных органов или тканей:
Коллективная эквивалентная доза в ткани используется для вычисления эквивалентной дозы в конкретной ткани или органе у группы лиц. Она равна произведению средней эквивалентной дозы и органе или ткани на число облученных лиц и измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).
Коллективная эффективная доза.
Коллективная ЭД - это суммарная доза, полученная путем сложения индивидуальных ЭД по группе облученных людей, измеряется в человеко-зивертах. Этот показатель используют эпидемиологи как меру коллективного риска возникновения стохастических (вероятностных) эффектов облучения в виде онкологических заболеваний и наследственной патологии. Зная величину коллективной дозы, можно оценить масштаб радиационного поражения. Этот показателя дает возможность применять статистические методы усреднения, которые позволяют прогнозировать последствия, включая риск заболеваний. Определенная индивидуальная доза не обязательно приведет данного конкретного человека к смерти от рака или другого заболевания, но в массе облученных людей предсказанное число таких событий обычно осуществляется.
Все виды ядерных излучений могут быть обнаружены только по их взаимодействию с веществом. Обнаружение и регистрация излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучений основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Механизм прохождения через вещество каждого вида излучений разный.
Взаимодействие рентгеновских и γ-излучений регистрируется по трем основными механизмами (способами):
– фотоэлектрического поглощения (фотоэффекта),
– комптоновского рассеяния (комптон-эффекта),
– образования электронно-позитронных пар.
При фотоэлектрическом эффекте энергия фотона полностью поглощается и расходуется на отрыв связанного электрона от атома и придание ему кинетической энергии. Электрон вырванный из поля атома, производит ионизацию других атомов. Чем ближе электрон к ядру, тем больше энергия его связи с ядром. Место выбитого электрона занимает электрон с более высокой орбитали. Фотоэффект характерен для мягкого гама-излучения с энергией от 1 до 500 кэВ.
Комптон-эффект заключается в отклонении фотона от своего первоначального направления с потерей или без потери энергии. При энергии от 0,5 до 1 МэВ фотон выбивает электрон с передачей ему части своей энергии и меняет направление своего движения, что получило название комптоновского рассеяния. Выбитые электроны, получив кинетическую энергию, продолжают в свою очередь ионизировать другие атомы.
Образование электронно-позитронных пар. Третий вид взаимодействия излучений с веществом - превращение гамма-кванта больших энергий (свыше 1 МэВ) в пару заряженных частиц позитрона и электрона, которые производят ионизацию других атомов.
В результате каждого из трех процессов взаимодействия излучения с веществом в облученной среде возникает большое количество быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации вещества.
Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Механизм передачи энергии заряженными частицами облучаемому веществу один и тот же. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшается настолько, что частица утратит ионизирующую способность.
В зависимости от знака заряда при пробеге частицы в веществе она, испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана вследствие рассеяния (отклонения) на орбитальных электронах и ядрах атомов. Этот вид взаимодействия легких частиц (электронов), при котором практически меняется лишь направление их движения, а не энергия, называют упругим рассеянием. При этом взаимодействии электрон передает лишь небольшую часть своей энергии ядру и меняется первоначальное направление движения. При прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра наблюдается неупругое рассеяние (торможение). При этом скорость летящего электрона снижается и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излучения. Тормозное излучение – это фотонное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженной частицы. При неупругом рассеянии наблюдается также взаимодействие частиц с электронами облучаемого вещества, вызывающее ионизацию или возбуждение атомов.
Траектория электрона в веществе имеет сложный вид, связанный с характером взаимодействия. На начальном участке траектория электрона рассеивается на небольшие углы и траектория его мало отличается от прямой линии. С уменьшением энергии электрона (а она колеблется от 20 кэВ до 13,5 МэВ) угол рассеяния увеличивается и электрон начинает двигаться по извилистой кривой.
Взаимодействие нейтронов с веществом. Характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от их энергии. В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов. При прохождении пучка нейтронов через вещество могут проявиться два вида их взаимодействия с ядрами вещества в виде упругого и неупругого рассеяния нейтронов.
При упругом рассеянии нейтрон, взаимодействуя с атомами, передает часть энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это атом тяжелого элемента, то передается только часть энергии, при этом нейтрон замедляется и вступает в ядерные реакции. Так же при соударении нейтрона с атомом, он может передать такое количество энергии, которой будет достаточно для того, что бы ядро «выскочило» из электронной оболочки. В этом случае образуются заряженные частицы, способные к ионизации среды.
При неупругом рассеянии часть энергии может затрачиваться на нагревание, возбуждение атомов или молекул, ионизацию и т.д. Неупругое взаимодействие характерно для заряженных частиц, которые способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома. Попадая в зону действия электрического поля, положительно заряженные частицы могут тормозиться и отклоняться от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение.
Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода), а так же бериллий, графит, парафин и др., используются для защиты от нейтронного излучения: в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, проводимой опосредованно вторичными частицами или фотонами.
Противолучевая защита — комплекс методов и средств, направленных на снижение радиационной нагрузки в условиях воздействия ионизирующего излучения. Для противолучевой защиты используют защитные ограждения, дистанционные приспособления и наиболее рациональные технологии (физическая противолучевая защита) или применяют специальные радиозащитные препараты (фармакологическая противолучевая защита).
Методы и средства физической противолучевой защиты зависят от характера работы, условий применения радиоактивных веществ и видов ионизирующего излучения и предусматривают защиту от внешних потоков излучения и от попадания радионуклидов внутрь организма.
Пробег α-частиц очень мал, поэтому для полной защиты от внешних потоков α-излучения достаточно находиться на расстоянии не ближе 9—10 см от радиоактивного препарата; одежда, резиновые перчатки полностью защищают от внешнего облучения α-частицами.
Для защиты от внешних потоков β-излучения манипуляции с радиоактивными веществами осуществляют за специальными экранами (ширмами) или в защитных шкафах. В качестве защитных материалов используют плексиглас, алюминий или стекло. При энергии β-частиц, не превышающей 3 МэВ, толщина защитного экрана составляет 1,5 см воды или 0,6 см алюминия.
При расчете толщины защитных устройств от γ-излучения необходимо учитывать его спектральный состав, мощность источника, расстояние, на котором находится обслуживающий персонал, и время пребывания в сфере воздействия излучения. В качестве защиты от рентгеновского и γ-излучения используют свинец, бетон и барит, руководствуясь при выборе защитного материала его свойствами, а также требованиями к габаритам и весу.
Наиболее эффективными защитными свойствами от нейтронов обладают вещества, состоящие из химических элементов с малым атомным номером. Обычно применяют воду, полиэтилен.
При работе с открытыми источниками ионизирующих излучений, помимо обеспечения защиты от внешнего облучения, необходимо исключить возможность попадания радиоактивных веществ в организм человека в количествах, превышающих допустимые. Для этого должен быть предусмотрен комплекс мероприятий, предотвращающих радиоактивное загрязнение воздуха и поверхностей рабочих и смежных помещений, одежды и кожи работающих, а также объектов внешней среды. Работы с радиоактивными веществами следует сосредоточивать в одной части здания, уменьшив до минимума проходы через эти помещения. Их отделка и оборудование должны обеспечивать легкую дезактивацию. Кроме того, предъявляется ряд специальных требований к системе вентиляции, организации рабочих мест и технологических режимов, системе сбора и удаления радиоактивных отходов, соблюдению мер личной гигиены и др., зависящих от характера работ с теми или иными радионуклидами, их активности, а также группы радиотоксичности, к которым они принадлежат. Существенным фактором, определяющим эффективность физической противолучевой защиты, является уровень квалификации персонала, работающего в сфере воздействия излучения.
При работе с источниками ионизирующих излучений необходимо физические меры противолучевой защиты сочетать также с правильной организацией труда. Организационные противолучевые мероприятия предусматривают: 1) обязательную предварительную теоретическую и практическую подготовку персонала по технике безопасности; 2) систему дозиметрического и радиометрического контроля облучения персонала и загрязненности рабочих мест; 3) медицинский контроль за состоянием здоровья персонала как вновь поступающего на работу, так и ежегодно в плане диспансерного наблюдения; 4) рациональное размещение рабочих мест персонала в условиях наименьшего облучения.
Одним из способов противолучевой защиты является защита расстоянием, т. е. обеспечение максимально возможного удаления персонала в процессе работы от источников излучения. При переносе радиоактивных препаратов следует пользоваться транспортным контейнером на длинной ручке. Важным способом противолучевой защиты является защита временем, т. е. выполнение рабочих процессов в течение короткого промежутка времени. Критериями, оценивающими качество противолучевой защиты, являются показатели величин мощности дозы излучения на рабочих местах и величина мощности дозы облучения сотрудников.
Радиометрия - обнаружение и измерение числа распадов атомных ядер в радиоактивных источниках либо некоторой доли их по испускаемому ядрами излучению.
Радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувств. Наличие радиоактивных веществ на местности нельзя обнаружить визуально (зрительно) или органолептически (с помощью других органов чувств) и поражение людей может происходить незаметно для них. Для своевременного и быстрого обнаружения радиоактивных веществ в воздухе, на местности, различных предметах и в разной среде созданы специальные приборы радиационной разведки, контроля полученных доз облучения и степени загрязнения.
Работа дозиметрических приборов основана на способности излучений ионизировать вещество среды, в котором распространяется излучение. Ионизация в свою очередь является причиной некоторых физических и химических изменений в веществе, которые могут быть обнаружены и измерены. К таким изменениям относятся: увеличение электропроводимости (газов, жидкостей, твердых материалов), люминесценция (свечение) веществ, засвечивание светочувствительных материалов (фотопленок), изменение окраски, прозрачности некоторых химических растворов и др.
В зависимости от природы регистрируемого физико-химического явления, происходящего в среде под влиянием ионизирующих излучений, различают ионизационный, сцинтилляционный, химический, фотографический и другие методы обнаружения и измерения ионизирующих излучений.
Ионизационный метод основан на ионизации атомов и молекул, которая происходит под влиянием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме), в результате чего электропроводимость среды увеличивается, что может быть зафиксировано соответствующими электронно-техническими приспособлениями.
В качестве детектора наиболее часто применяется ионизационная камера. Она состоит из двух электродов, между которыми находится газовая среда (воздух или другой газ), которые подключены к источнику питания для создания электрического поля. При отсутствии ионизирующих излучений ток в электрической цепи камеры протекать не будет, так как в ней нет свободных электронов и сопротивление ее бесконечно большое.
Под действием ионизирующих излучений в газовой среде камеры образуются ионы и электроны, которые в результате разности потенциалов на электродах приобретают направленное движение к соответствующим электродам (аноду или катоду). В электрической цепи начинает протекать ток, который регистрируется измерительным приспособлением. Величина ионизационного тока пропорциональна величине излучений. Ионизационные камеры могут иметь различные форму и конструкцию. Сцинтилляционный метод. В некоторых веществах (сцинтилляторах) под действием ионизирующих излучений происходит ионизация и возбуждение атомов. При переходе атомов из ионизированного и возбужденного состояния в основное высвечивается энергия в виде вспышек света (сцинтилляций), которая может быть зарегистрирована различными спос