Ионизирующее излучение есть везде. Он приходит из космоса в виде космических лучей. Он находится в воздухе в виде выбросов радиоактивного радона и его дочерних продуктов. Встречающиеся в природе радиоактивные изотопы входят и остаются во всех живых существах. Это неизбежно. Действительно, все виды на этой планете эволюционировали в присутствии ионизирующего излучения. Хотя люди, подвергшиеся воздействию малых доз радиации, могут не сразу проявлять какие-либо явные биологические эффекты, нет никаких сомнений в том, что ионизирующее излучение в достаточном количестве может причинить вред. Эти эффекты хорошо известны как в своем роде, так и в степени.
Хотя ионизирующее излучение может причинить вред, оно также имеет множество полезных применений. Радиоактивный уран вырабатывает электроэнергию на атомных электростанциях многих стран. В медицине с помощью рентгеновских лучей получают рентгенограммы для диагностики внутренних повреждений и заболеваний. Врачи ядерной медицины используют радиоактивный материал в качестве индикаторов для получения подробных изображений внутренних структур и изучения метаболизма. Терапевтические радиофармацевтические препараты доступны для лечения таких заболеваний, как гипертиреоз и рак. Радиотерапевты используют для лечения рака гамма-лучи, пионные пучки, электронные пучки, нейтроны и другие виды излучения. Инженеры используют радиоактивные материалы при каротаже нефтяных скважин и в измерителях плотности почвы. Промышленные рентгенологи используют рентгеновские лучи для контроля качества, чтобы изучить внутреннюю структуру производимых устройств. Знаки выхода в зданиях и самолетах содержат радиоактивный тритий, чтобы они светились в темноте в случае отключения электроэнергии. Многие детекторы дыма в домах и коммерческих зданиях содержат радиоактивный америций.
Эти многочисленные применения ионизирующего излучения и радиоактивных материалов улучшают качество жизни и во многих отношениях помогают обществу. Выгоды от каждого использования всегда должны быть сопоставлены с рисками. Риски могут быть связаны с работниками, непосредственно участвующими в применении радиации или радиоактивных материалов, с населением, с будущими поколениями и с окружающей средой или с любой их комбинацией. Помимо политических и экономических соображений, выгоды всегда должны перевешивать риски, когда речь идет об ионизирующем излучении.
Ионизирующего излучения
Ионизирующее излучение состоит из частиц, в том числе фотонов, которые вызывают отделение электронов от атомов и молекул. Однако некоторые виды излучения относительно низкой энергии, такие как ультрафиолетовый свет, также могут вызывать ионизацию при определенных обстоятельствах. Чтобы отличить эти типы излучения от излучения, которое всегда вызывает ионизацию, произвольный нижний предел энергии для ионизирующего излучения обычно устанавливается около 10 килоэлектрон-вольт (кэВ).
Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц. К таким частицам относятся энергичные электроны (иногда называемые негатронами), позитроны, протоны, альфа-частицы, заряженные мезоны, мюоны и тяжелые ионы (ионизированные атомы). Этот тип ионизирующего излучения взаимодействует с веществом в основном за счет кулоновской силы, отталкивая или притягивая электроны от атомов и молекул в силу их зарядов.
Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц. Наиболее распространенными видами косвенно ионизирующего излучения являются фотоны с энергией выше 10 кэВ (рентгеновское и гамма-излучение) и все нейтроны.
Рентгеновские и гамма-фотоны взаимодействуют с веществом и вызывают ионизацию как минимум тремя различными способами:
- Фотоны с более низкой энергией взаимодействуют в основном посредством фотоэлектрического эффекта, при котором фотон отдает всю свою энергию электрону, который затем покидает атом или молекулу. Фотон исчезает.
- Фотоны промежуточной энергии в основном взаимодействуют через эффект Комптона, при котором фотон и электрон сталкиваются как частицы. Фотон продолжает двигаться в новом направлении с уменьшенной энергией, в то время как высвобожденный электрон уходит с остатком поступающей энергии (за вычетом энергии связи электрона с атомом или молекулой).
- Рождение пар возможно только для фотонов с энергией более 1.02 МэВ. (Однако вблизи 1.02 МэВ все еще доминирует эффект Комптона. При более высоких энергиях преобладает рождение пар.) Фотон исчезает, а на его месте появляется электрон-позитронная пара (это происходит только вблизи ядра из-за сохранения импульса и энергетические соображения). Полная кинетическая энергия пары электрон-позитрон равна энергии фотона за вычетом суммы энергий массы покоя электрона и позитрона (1.02 МэВ). Эти энергичные электроны и позитроны затем действуют как непосредственно ионизирующее излучение. Потеряв кинетическую энергию, позитрон в конце концов столкнется с электроном, и частицы аннигилируют друг друга. Два (обычно) фотона с энергией 0.511 МэВ затем испускаются из места аннигиляции на 180 градусов друг от друга.
для данного фотона может произойти любое из них, за исключением того, что образование пар возможно только для фотонов с энергией более 1.022 МэВ. Энергия фотона и материал, с которым он взаимодействует, определяют, какое взаимодействие наиболее вероятно.
На рис. 1 показаны области, в которых доминирует каждый тип фотонного взаимодействия, в зависимости от энергии фотона и атомного номера поглотителя.
Рисунок 1. Относительная важность трех основных взаимодействий фотонов в веществе.
Наиболее распространенными взаимодействиями нейтрона с веществом являются неупругие столкновения, захват (или активация) нейтрона и деление. Все это взаимодействия с ядрами. Ядро, неупруго сталкивающееся с нейтроном, остается на более высоком энергетическом уровне. Он может высвобождать эту энергию в виде гамма-излучения или испуская бета-частицу, или и то, и другое. При захвате нейтронов пораженное ядро может поглощать нейтроны и выбрасывать энергию в виде гамма-, рентгеновских лучей, бета-частиц или того и другого. Затем вторичные частицы вызывают ионизацию, как обсуждалось выше. При делении тяжелое ядро поглощает нейтрон и распадается на два более легких ядра, которые почти всегда радиоактивны.
Количества, единицы и связанные определения
Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (ICRU) разрабатывает международно признанные формальные определения величин и единиц радиации и радиоактивности. Международная комиссия по радиологической защите (ICRP) также устанавливает стандарты для определения и использования различных величин и единиц, используемых в радиационной безопасности. Ниже приводится описание некоторых величин, единиц и определений, обычно используемых в области радиационной безопасности.
Поглощенная доза. Это основная дозиметрическая величина для ионизирующего излучения. По сути, это энергия, которую ионизирующее излучение сообщает веществу на единицу массы. Формально,
в котором D – поглощенная доза, de - средняя энергия, сообщаемая веществу с массой dm. Поглощенная доза выражается в джоулях на килограмм (Дж кг-1). Специальное название единицы поглощенной дозы — грей (Гр).
Активность. Эта величина представляет собой количество ядерных превращений из данного состояния ядерной энергии в единицу времени. Формально,
в котором A активность, dN – математическое ожидание числа спонтанных ядерных переходов из данного энергетического состояния в интервале времени dt. Это связано с количеством радиоактивных ядер. N по:
где l — постоянная затухания. Активность измеряется инверсными секундами (с-1). Специальное название единицы активности — беккерель (Бк).
Постоянная распада (л). Эта величина представляет собой вероятность в единицу времени того, что ядерное превращение произойдет для данного радионуклида. Постоянная затухания измеряется в обратных секундах (s-1). Это связано с периодом полураспада t½ радионуклида:
Константа распада l связана со средним временем жизни t радионуклида соотношением:
Зависимость активности от времени A(t) и числа радиоактивных ядер N(t) может быть выражена 
и 
соответственно.
Детерминированный биологический эффект. Это биологический эффект, вызванный ионизирующим излучением, вероятность возникновения которого равна нулю при малых поглощенных дозах, но резко возрастает до единицы (100 %) выше некоторого уровня поглощенной дозы (порога). Индукция катаракты является примером стохастического биологического эффекта.
Эффективная доза. Эффективная доза E представляет собой сумму взвешенных эквивалентных доз во всех тканях и органах организма. Это величина радиационной безопасности, поэтому ее использование нецелесообразно для больших поглощенных доз, доставленных за относительно короткий период времени. Его дают:
в котором w T - весовой коэффициент ткани и HT – эквивалентная доза для ткани T. Эффективная доза выражена в Дж/кг.-1. Специальное название единицы эффективной дозы – зиверт (Зв).
Эквивалентная доза. Эквивалентная доза HT это поглощенная доза, усредненная по ткани или органу (а не по точке) и взвешенная по интересующему качеству излучения. Это величина радиационной безопасности, поэтому ее использование нецелесообразно для больших поглощенных доз, доставленных за относительно короткий период времени. Эквивалентная доза определяется по формуле:
в котором DT, R – усредненная по ткани или органу поглощенная доза T за счет излучения R и w R
- весовой коэффициент радиации. Эквивалентная доза выражена в Дж кг-1. Специальное название единицы эквивалентной дозы — зиверт (Зв).
Период полураспада. Эта величина представляет собой время, необходимое для того, чтобы активность радионуклида уменьшилась вдвое. Эквивалентно, это количество времени, необходимое для того, чтобы данное количество ядер в данном радиоактивном состоянии уменьшилось вдвое. Он имеет основные единицы секунд (с), но также обычно выражается в часах, днях и годах. Для данного радионуклида период полураспада t½ связано с константой затухания l соотношением:
Линейный перенос энергии. Эта величина представляет собой энергию, которую заряженная частица сообщает веществу на единицу длины при прохождении через вещество. Формально,
в котором L представляет собой линейную передачу энергии (также называемую линейная тормозная способность при столкновении) и дe - средняя энергия, теряемая частицей при прохождении расстояния dl. Линейная передача энергии (ЛПЭ) измеряется в Дж м-1.
Средний срок службы. Эта величина представляет собой среднее время, в течение которого ядерное состояние будет сохраняться до того, как оно претерпит преобразование в состояние с более низкой энергией в результате испускания ионизирующего излучения. Он имеет основные единицы секунд (с), но также может быть выражен в часах, днях или годах. Он связан с постоянной затухания соотношением:
где t — среднее время жизни, а l — постоянная распада данного нуклида в данном энергетическом состоянии.
Весовой коэффициент излучения. это число w R что для данного типа и энергии излучения R представляет значения относительной биологической эффективности этого излучения в отношении возникновения стохастических эффектов при низких дозах. значения w R связаны с линейной передачей энергии (ЛПЭ) и приведены в таблице 1. На рисунке 2 (на обороте) показана взаимосвязь между w R и LET для нейтронов.
Таблица 1. Весовые коэффициенты излучения wR
|
Тип и энергетический диапазон |
wR 1 |
|
Фотоны, все энергии |
1 |
|
Электроны и мюоны, все энергии2 |
1 |
|
Нейтроны, энергия 10 кэВ |
5 |
|
От 10 кэВ до 100 кэВ |
10 |
|
>100 кэВ до 2 МэВ |
20 |
|
>2 МэВ до 20 МэВ |
10 |
|
>20 МэВ |
5 |
|
Протоны, кроме протонов отдачи, энергия >2 МэВ |
5 |
|
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра |
20 |
1 Все значения относятся к излучению, падающему на тело или, для внутренних источников, испускаемому источником.
2 За исключением оже-электронов, испускаемых ядрами, связанными с ДНК.
Относительная биологическая эффективность (РБЕ). ОБЭ одного типа излучения по сравнению с другим является обратным отношением поглощенных доз, дающих одинаковую степень определенной биологической конечной точки.
Рис. 2. Радиационные весовые коэффициенты для нейтронов (гладкая кривая рассматривается как аппроксимация)
Стохастический биологический эффект. Это биологический эффект, вызванный ионизирующим излучением, вероятность возникновения которого возрастает с увеличением поглощенной дозы, вероятно, без порога, но серьезность которого не зависит от поглощенной дозы. Рак является примером стохастического биологического эффекта.
Весовой коэффициент ткани w T. Это представляет собой вклад ткани или органа Т в общий ущерб из-за всех стохастических эффектов, возникающих в результате равномерного облучения всего тела. Он используется потому, что вероятность стохастических эффектов из-за эквивалентной дозы зависит от облучаемой ткани или органа. Равномерная эквивалентная доза для всего тела должна давать эффективную дозу, численно равную сумме эффективных доз для всех тканей и органов тела. Следовательно, сумма всех весовых коэффициентов ткани нормирована на единицу. В таблице 2 приведены значения весовых коэффициентов ткани.
Таблица 2. Весовые коэффициенты ткани wT
|
Ткань или орган |
wT 1 |
|
Половые |
0.20 |
|
Костный мозг (красный) |
0.12 |
|
Двоеточие |
0.12 |
|
легкое |
0.12 |
|
Живот |
0.12 |
|
мочевой пузырь |
0.05 |
|
Грудь |
0.05 |
|
Печень |
0.05 |
|
пищевод |
0.05 |
|
Щитовидная железа |
0.05 |
|
Кожа |
0.01 |
|
Поверхность кости |
0.01 |
|
остаток |
0.052, 3 |
1 Значения были получены из эталонной популяции, состоящей из равного количества представителей обоих полов и широкого диапазона возрастов. При определении эффективной дозы они применяются к работникам, ко всему населению и к представителям любого пола.
2 Для расчетов остаток состоит из следующих дополнительных тканей и органов: надпочечники, головной мозг, верхняя часть толстой кишки, тонкая кишка, почки, мышцы, поджелудочная железа, селезенка, тимус и матка. В список включены органы, которые могут подвергаться избирательному облучению. Известно, что некоторые органы в списке подвержены индукции рака.
3 В тех исключительных случаях, когда одна из оставшихся тканей или органов получает эквивалентную дозу, превышающую максимальную дозу в любом из двенадцати органов, для которых указан весовой коэффициент, к этой ткани следует применять весовой коэффициент 0.025. или орган и весовой коэффициент 0.025 к средней дозе в остальной части остатка, как определено выше.