Общие сведения. Ионизирующие излучения получило своё название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе

Ионизирующие излучения получило своё название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Элементарный акт взаимодействия излучения с веществом - поглощение энергии кванта валентным электроном, приводящие к переходу атома или молекулы в возбужденное состояние вплоть до высвобождения электрона. При освобождении электрона оставшаяся часть атома или молекулы, приобретая положительный заряд, становится положительным ионом. При возврате возбужденного атома или молекулы в исходное состояние без освобождения электрона выделяется излучение определенной энергии.

Все ионизирующие излучения по своей физической природе подразделяются на электромагнитные и корпускулярные. Электромагнитные излучения - это рентгеновское излучение, γ - излучение радиоактивных элементов и тормозное излучение. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии на вещество сильного электростатического поля (при разности потенциалов более 10-20 кВ). Взаимные превращения и распады радиоактивных элементов сопровождаются появлением γ - излучение. Тормозное излучение возникает при прохождении через вещество сильно ускоренных частиц. Видимый свет и радиоволны - тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют вещество, ибо характеризуются большой длиной волны (т.е. малой энергией) или, как принято говорить, меньшей жесткостью.

Все остальные виды ионизирующих излучений можно рассматривать как пучки элементарных ядерных частиц, ядер элементов или ионов - корпускулярные излучения. Большинство из них - заряженные частицы: β - частицы (электроны, позитроны), протоны - ядра атомов водорода, дейтроны (ядра атомов тяжелого водорода - дейтерия), α - частицы (ядра атомов гелия), тяжелые ионы (ионы и ядра атомов других химических элементов). Кроме того, к корпускулярным излечениям относят и не имеющие заряда ядерные частицы - нейроны.

Наряду с ионизирующей способностью, характерным свойством ионизирующих излучений является их проникающая способность в облучаемое вещество. Глобина проникновения ионизирующих излучений в вещество зависит, с одной стороны, от природы излучения, заряда составляющих его частиц и их энергии, с другой стороны - от состава и плотности облучаемого вещества.

Электромагнитное ионизирующие излучение обладает большой проникающей способность, так как поглощается в веществе незначительно. Поглощение электромагнитного пучка одной энергии в однородном веществе описывает зависимость

(5.1)

где – интенсивности, соответственно, падающего излучения и излучения прошедшего через вещество толщиной х;

- линейный коэффициент поглощения, который характеризует поглощающую способность вещества.

Для корпускулярных ионизирующих излучений проникающая способность значительно меньше. Это можно объяснить либо наличием у частиц, ионизирующих вещество, электрического заряда, либо при его отсутствии наличием значительной массы частиц (нейроны). Проникающую способность корпускулярных ионизирующих излучений удобно характеризовать величиной пробега частиц в веществе.

В таблице 5.2 представлены характерные значения пробегов частиц в воздухе для α-, β-, е- протонного излучений.

Таблица 5.2 – Значения пробегов частиц

Вид ионизирующего излучения	Диапазон энергии частиц, МэВ	Диапазон, пробегов частиц, см
α	4,0 - 10,0	2,5 - 10,6
β	0,01 - 8,0	0,002 - 34,400
Протонное	1,0 - 15,0	0,002 - 0,003

При облучении биологических объектов разными видами ионизирующей радиации в одинаковых условиях возникают, количественно, а иногда и качественно разные биологические эффекты, что связано с пространственным распространением проникающей радиации в биологическом объекте. Это приводит к ионизации атомов и молекул не только во внешней поверхности объекта, но и во внутренних органах и тканях, или исключительно во внутренних органах и тканях.

Каждому биологическому объекту свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующей радиации, своя чувствительность. Например, в канале ядерного реактора обнаружены бактерии, названные микрококк радиорезистентный, которые не только не погибают, но и живут и размножаются в этих условиях. Степень радиочувствительности сильно варьируются и в приделах одного биологического вида, а для определенного индивидуума зависит также от возраста и пола. Кроме того, даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности и наряду с чувствительными (кроветворные ткани, эпителий слизистой тонкого кишечника), имеются радиационно - устойчивые ткани (мышечные, нервные, костные). Хотя обычно ткани, относящиеся к радиорезистивным по непосредственным лучевым реакциям, оказываются значительно радиочувствительными по отдаленным последствиям.

В качестве критерия радиочувствительности обычно используют величину ЛД₅₀ - летальную дозу, облучение в которой вызывает 50% - ную гибель биологических объектов.

В таблице 5.3 представлены данные о радиочувствительности биологических объектов.

Таблица 5.3 - Радиочувствительность биологических объектов

Биологический вид	Доза, Гр	Биологический вид	Доза, Гр
Овца	1,5 - 2,5	Осёл	2,0 - 3,8
Собака	2,5 - 3,0	Человек	2,5 - 3,5
Обезьяны	2,5 -6,0	Мыши	6,0 - 15,0
Крысы	7,0 - 9,0	Птицы	8,0 - 20,0
Рыбы	8,0 - 20,0	Кролик	9,0 - 10,0
Хомяк	9,0 - 10,0	Змея	80,0 - 200,0
насекомые	10.0 - 100,0	растения	10,0 - 15000,0

Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы излучения.

Общие представления о количестве попадающей на объект энергии излучения во время облучения может быть получено измерением так называемой экспозиционной дозы Х, определяемой как

(5.2)

где dQ - полный заряд ионов одного знака, воздействующих в воздухе;

dm - масса воздуха в данном объеме.

Экспозиционная доза - это доза излучения в воздухе она характеризует потенциальную опасность воздействия ионизирующих излучений при общем и равномерном облучении тела человека. Экспозиционная доза в системе единиц СИ измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей экспозиционной дозы излучения является рентген (Р).

Рентген - это доза гамма - излучения, под действием которого в 1 кубическом см сухого воздуха при нормальных условиях(температура С и давление 760 мм рт. ст.) создаются ионы несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Дозе 1 Р соответствует образование шар ионов в 1 кубическом сантиметре воздуха. Как видно из определения, экспозиционную дозу удобнее всего использовать для характеристики электромагнитных ионизирующих излучений.

Эффект от взаимодействий ионизирующих излучений на объект при прочных равных условиях прежде всего определяется величиной энергии ионизирующей излучение, переданной веществу поглощенной дозой D

(5.3)

где dE – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме;

dm - масса вещества в этом объеме.

Поглощенная доза более точно характеризует воздействия ионизирующих излучений на биологические ткани. В системе единиц СИ она измеряется в греях (Гр). 1 Гh - это такая поглощенная доза, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1 ДЖ, следовательно, 1 Гр = 1 Дж/кг. Использовавшиеся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.

Доза в органе или ткани (D_Т) - средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела

, (5.4)

где m - масса органа или ткани;

D - поглощенная доза в элементе Т массы dm.

Для сравнительной оценки биологического действия разных видов излучения или смешанных излучений при равных поглощенных дозах используется понятие эквивалентной дозы

где – средняя поглощенная доза в органе или ткани Т;

- взвешивающий коэффициент для излучения R.

Они определяют как отношение поглощенной дозы «эталонного» излучения к поглощенной дозе данного излучения, обусловливающего тот же биологический эффект. В качестве эталонного излучения принимают рентгеновское излучение. В таблице 5.4 приведены значения взвешивающих коэффициентов для отдельных видов ионизирующих излучений.

Таблица 5.4 - Значения коэффициента качества

Вид излучения	Значения
Фотоны любых энергий
Электроны и мюоны любых энергий
Нейроны	5 - 20
Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи
α-частицы, осколки давления, тяжелые ядра

В качестве единицы эквивалентной дозы в системе СИ используются зиверт (Зв), используемая ранее внесистемная единица биологический эквивалент рада (бэр) равна 0,01 Зв.

Доза эффективная (Е) - величина, используемая как мера риска возникновения отдельных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты

где – взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т; - эквивалентная доза в органе или ткани Т.

Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

Единицей измерения экспозиционной, поглощенной, эквивалентной доз в системе СИ и внесистемные единицы измерения приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Единицы измерения доз

Доза	СИ	Внесистемная
Экспозиционная	Кулон/кг=Кл/кг	Рентген=Р=0,258*103 Кл/кг
Поглощенная	Джоуль/кг=Дж/кг= Грей=Гр	Рад=10-2Гр
Эквивалентная	Зиверт (Зв)	Бэр=10-2Зв

Для характеристики измерения дозы во времени вводится понятие мощности дозы. Мощности экспозиционной, поглощенной и эквивалентной доз соответственно определяются как:

Единицами измерения мощности дозы являются: Кл/кг с; Р/ч; Гр/c;

рад/ч; Зв/с; бэр/ч.

Основными документами регламентирующими действие ионизирующих излучений в РФ, являются «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99) и «Санитарные правила» (СП 2.6.1.758-99). Эти документы регламентируют основные требования по обеспечению радиационной безопасности и распространяются на предприятия, учреждения, лаборатории и другие организации всех министерств и ведомств, которые производят, обрабатывают, применяют, хранят или транспортируют естественные и искусственные радиоактивные вещества, другие источники ионизирующих излучений.

НРБ устанавливают следующие категории облучаемых лиц:

- персонал группы А и Б (профессиональные работники);

- все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий из производственной деятельности.

Устанавливаются также три группы критических органов в порядке убывания радиочувствительности:

1 группа - все тело, гонады и костный мозг;

2 группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно - кишечный тракт, легкие, хрусталики глаза и другие органы, исключая относящиеся к 1 и 3 группам;

3 группа - кожный покров, костная ткань, предплечья, лодыжки и стопы.

Для каждой категории облучаемых лиц устанавливаются два класса нормативов: основные дозовые и допустимые уровни.

Для категории облучаемых лиц устанавливаются три класса нормативов:

- основные приделы доз (ПД);

- допустимые уровни многофакторного воздействия (для одного радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего облучения), являющихся производными от основных приделов доз: приделы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые объемные активности ДОА), среднегодовые удельные активности (ДУА) и др.;

- контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности потоков и др.).

Их значения должны учитывать достигнутый в организации уровень радиационной безопасности и обеспечивать условия, при которых радиационное взаимодействие будет ниже допустимого.