|
|
Практика. Физикотехнический факультет Кафедра Физики и информационных технологий курсовойпроект экологические проблемы радиационного облучения человека естественными источниками
2.1.3 Внутреннее облучение
В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода-14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения. В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, который усваивается организмом в месте с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232. Некоторые из них, например нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения. Десятки тысяч людей на Крайнем Севере питаются в основном мясом северного оленя (карибу), в котором оба упомянутых выше радиоактивных изотопа присутствуют в довольно высокой концентрации. Особенно велико содержание полония-210. Эти изотопы попадают в организм оленей зимой, когда они питаются лишайниками, в которых накапливаются оба изотопа. Дозы внутреннего облучения человека от полония-210 в этих случаях могут в 35 раз превышать средний уровень. А в другом полушарии люди, живущие в Западной Австралии в местах с повышенной концентрацией урана, получают дозы облучения, в 75 раз превосходящие средний уровень, поскольку едят мясо и требуху овец и кенгуру. Прежде чем попасть в организм человека, радиоактивные вещества, как и в рассмотренных выше случаях, проходят по сложным маршрутам в окружающей среде, и это приходится учитывать при оценке доз облучения, полученных от какого-либо источника.
В совместном докладе ученых Всемирной и Панамериканской организации здравоохранения "Воздействие на здоровье людей повышенного естественного фона" отмечалось: "Вопреки ожиданиям не выявлено влияние относительно повышенного фона на смертность от онкопатологии, на частоту врожденных аномалий, отклонений в физическом развитии, индекс плодовитости женщин, частоту наследственной патологии, детскую смертность, соотношение полов и частоту спонтанных абортов".
2.2 Источники радиации, созданные человеком (техногенные)
Техногенные источники радиационного облучения существенно отличаются от естественных не только происхождением. Во-первых, сильно различаютсяиндивидуальные дозы, полученные разными людьми от искусственных радионуклидов. Обычно эти дозы малы, но облучениеза счет искусственных источников намного интенсивнее, чем у естественных. Во-вторых, для искусственных источников вариабельностьвыражена гораздо сильнее, чем для естественных. В конце концов, загрязнение отискусственных источников радиационного излучения (кроме радиоактивных осадковв результате ядерных взрывов) легче контролировать, чем природноеобусловленное загрязнение.
Атомная энергия используется человеком в различных целях: в медицине, дляпроизводства энергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихсяциферблатов часов, для поиска полезных ископаемых и, наконец, для созданияатомного оружия.
Самый существенный вклад в загрязнение от искусственных источников вносят, различнымедицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением радиоактивности, такие как рентгенография и лечение, связанное с использованием радиоизотопов. Но облучение в медицине не так опасно, если им не злоупотреблять. К сожалению, часто к пациенту применяются неоправданно большие дозы.
Следующийисточник облучения, созданный руками человека – радиоактивные осадки, выпавшие в результате испытания ядерного оружия в атмосфере, и, несмотря на то, что основная часть взрывов была произведена еще в 1950–1960г., их последствия мы испытываем на себе и сейчас. В результате взрыва часть радиоактивных веществ выпадает неподалеку от полигона, часть задерживается в тропосфере и затем в течение месяца перемещается ветром на большие расстояния, постепенно оседая на землю, приэтом оставаясь примерно на одной и той же широте. Однако большая доля радиоактивного материала выбрасывается в стратосферу и остается там более продолжительное время, также рассеиваясь по земной поверхности.Радиоактивные осадки содержат большое количество различных радионуклидов, ноиз них наибольшую роль играют цирконий–95, цезий–137, стронций–90 и углерод–14, периоды полураспада которых составляют соответственно 64 суток, 30 лет(цезий и стронций) и 5730 лет.
По данным НКДАР, ожидаемая суммарная коллективная эффективная эквивалентнаядоза от всех ядерных взрывов, произведенных к 1985 году, составляла 30 000 000 чел.–Зв. К 1980 году население Земли получило лишь 12% этой дозы, аостальную часть получает до сих пор и будет получать еще миллионы лет.
Так же один из самых обсуждаемых сегодня источников радиационного излучения – это атомная энергетика. На самом деле, при нормальной работе ядерныхустановок ущерб от них незначительный. Основной вклад в загрязнение окружающей среды, посредством атомной энергетики, вносит производство и утилизация ядерного топлива
Ядерныйтопливный цикл начинается с добычи и обогащения урановой руды, затемпроизводится само ядерное топливо, а после отработки топлива на АЭС иногдавозможно вторичное его использование через извлечение из него урана иплутония. Завершающей стадией цикла является, как правило, захоронениерадиоактивных отходов.
На каждом этапе происходит выделение в окружающую среду радиоактивныхвеществ, причем их объем может сильно варьироваться в зависимости отконструкции реактора и других условий. Кроме того, серьезной проблемойявляется захоронение радиоактивных отходов, которые еще на протяжении тысяч имиллионов лет будут продолжать служить источником загрязнения.
Дозы облучения различаются в зависимости от времени и расстояния. Чем дальшеот станции живет человек, тем меньшую дозу он получает.Из продуктов деятельности АЭС наибольшую опасность представляет тритий.Благодаря своей способности хорошо растворяться в воде и интенсивноиспаряться, тритий накапливается в использованной в процессе производстваэнергии воде и затем поступает в водоем–охладитель, а соответственно, вблизлежащие бессточные водоемы, подземные воды, приземной слой атмосферы. Период его полураспада равен 3,82 суток. Распад его сопровождается альфа–излучением. Повышенные концентрации этого радиоизотопа зафиксированы вприродных средах многих АЭС.
До сих пор речь шла о нормальной работе атомных электростанций, но на примереЧернобыльской трагедии мы можем сделать вывод о чрезвычайно большой потенциальной опасности атомной энергетики: при любом минимальном сбое АЭС,особенно крупная, может оказать непоправимое воздействие на всю экосистемуЗемли.
Масштабы Чернобыльской аварии не могли не вызвать оживленного интереса со стороны общественности. Но мало кто догадывается о количестве мелкихнеполадок в работе АЭС в разных странах мира[3].
3 Дозиметрия
Существенной задачей, стоящей перед радиоэкологией, а также перед радиобиологией и радиационной медициной, является поиск и анализ таких физических величин, которые связаны с наблюдаемым (ожидаемым) радиационным эффектом. Эти величины получили название дозиметрических. Так как первопричиной радиационных эффектов является поглощение энергии излучения облучаемым объектом. то основной современной дозиметрической величиной стала доза, выступающая как мера поглощенной энергии.
Дозиметрия ионизирующих излучений – это наука, предметом изучения которой являются принципы и методы определения таких физических величин, характеризующих поле излучения или взаимодействие излучения с веществом, которые связаны с ожидаемым радиационным эффектом. Измеряемые физические величины становятся дозиметрическими величинами только после того, как установлена их связь с ожидаемым радиационным эффектом. Вне этой связи дозиметрические измерения теряют смысл. По мере становления и развития радиологии, радиобиологии и радиационной экологии представления об этих связях, да и о самих радиационных эффектах, менялись. Это естественно приводило и приводит к прогрессу в дозиметрии, появлению новых понятий и исчезновению старых.
Постепенно сложились современные представления о схеме радиационного воздействия, основные понятия и термины. Согласно этой схеме, наличие в пространстве потоков ионизирующих частиц и квантов создает там поле излучения. Под полем излучения в дозиметрии понимают область пространства, каждой точке которой соответствуют физические величины (скалярные или векторные), являющиеся характеристиками поля излучения. Характеристики поля определяют пространственно–временное распределение излучения в рассматриваемой среде. Это поле может формироваться внешними источниками косвенно и непосредственно ионизирующих частиц, а также внутренними источниками, находящимися в пределах данного объема (например, инкорпорированными радионуклидами). С этой точки зрения вся биосфера находится в поле излучения, создаваемого космическим излучением, радионуклидами, находящимися в подстилающих породах, почве, воде и воздухе, а также инкорпорированными в живые ткани.
Пространственное, угловое и энергетическое распределение плотности потока частиц всех видов в каждый момент времени является фундаментальным и полным описанием поля излучения. Зная характеристики поля в заданной точке пространства, можно для этой точки рассчитать любую дозиметрическую величину, а также отклик дозиметрического детектора, помещенного в эту точку. Помещение в это поле какого–либо объекта вызывает возмущение поля. Воздействие этого поля на такой объект принято называть его облучением.
Возникновение дозиметрии было исторически связано с необходимостью защиты человека от воздействия рентгеновского излучения, так как сразу после его открытия в 1895г. было обнаружено его вредное действие на человека. Возникла необходимость быстро организовать количественную оценку степени радиационной опасности. Для этих целей стали использовать: фотографический эффект (фотодозиметры), измерение заряда ионов, возникших в результате ионизации, флюоресценцию, тепловой эффект, а также химические методы. Измеряемые эффекты и величины затем теоретически осмысливались. Измерения этих величин, характеризующих рентгеновское излучение и его взаимодействие со средой, выделились затем в самостоятельную область дозиметрии – рентгенометрию.
Именно в рентгенометрии определились основные величины, подлежащие измерению, и сформировались основы современной дозиметрии[6].
3.1 Экспозиционная доза
С 1942г. вопросы радиационной безопасности стали приобретать все большее значение, затрагивая интересы работников атомной промышленности, а после 1945г. и интересы широких слоев населения. Постепенно дозиметрия становится нужной не только физикам и медикам, но и экологам, биологам, химикам, работникам промышленности и сельского хозяйства, связанным с использованием ионизирующих излучений.
Так как вначале чаще всего имели дело с рентгеновским излучением, распространяющимся в воздухе, то в качестве количественной меры поля излучения стали применять результат измерения ионизации воздуха вблизи рентгеновских трубок или аппаратов. Появилось понятие – экспозиционная доза. Эта величина была введена в дозиметрии только для характеристики поля фотонного излучения в воздухе. Она равна абсолютному значению полного заряда ионов одного знака, которые образуются в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонами в единице массы воздуха. Обозначим экспозиционную дозу через Dexp, тогда:
Dexp = dQ/dm,
где dQ– суммарный заряд всех ионов одного знака, созданных в воздухе при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонным излучением в массе воздухаdm.
Заряд dQ включает заряд всех ионов одного знака, созданных в результате полного использования кинетической энергии электронов и позитронов в воздухе независимо от места образования этих ионов; имеется в виду, что эти ионы созданы только теми электронами и позитронами, которые возникли в массе воздуха dm. Единицей экспозиционной дозы в системе CИ является Кл/кг, однако и в XXI столетии продолжают широко использовать старую внесистемную единицу рентген (Р).
1 Р = 2,58·10–4 Кл/кг.
Здесь важно понимать, что как Dexp,так и любая другая доза излучения, зависит от времени облучения; с течением времени доза накапливается. Изменение дозы в единицу времени называется мощностью дозы. Мощность дозы мы будем обозначать буквой Р с индексом, указывающим на то, о какой дозе идет речь. Например, мощность экспозиционной дозы есть:
Pexp =dDexp/dt,
где dDexp– изменение экспозиционной дозы за время dt.
Мощность дозы в общем случае является функцией времени – P(t). Если эта функция известна, то легко можно сосчитать дозу за некоторый интервал времени от t1 до t2. Если мощность дозы постоянна во времени, то:
D = (t2 – t1)·P.
Вероятность взаимодействия фотонного излучения с веществом, состоящим из химического элемента с порядковым номером Z, сложным образом зависит от Z. Когда вещество образуется из атомов нескольких химических элементов, то в плане поглощения в нем излучения оно может характеризоваться эффективным атомным номером Zэф. Значения этого параметра для воздуха (7,64) и для мягких тканей человека (7,42), подвергающегося облучению рентгеновским излучением с малой энергией, практически совпадают. Иными словами, относительный вклад фото– и Комптон–эффектов, ответственных за ионизацию атомов этих веществ, одинаков и в воздухе, и в облучаемых тканях. Поэтому, измеряя ионизационный эффект в воздухе и характеризуя таким образом поле рентгеновского излучения в интересующей нас области, можно достаточно корректно оценивать ионизацию мягкой ткани, помещенной в это поле. Принципиальную возможность такого пересчета обосновали английские физики В.Г. Брэгг и Л.Г. Грей.
Очень скоро стали проявляться и трудности, стоящие на пути такого подхода. Действительно, по мере совершенствования рентгеновских трубок и повышения напряжения на них до
200кэВ для облучения более глубоко лежащих очагов заболеваний выяснилась ограниченность понятия Dexp. При одной и той же величине Dexp в одном и том же поле излучения радиационный эффект оказывался разным в мягких и костных тканях. Причина достаточно ясна. Для костных тканей Zэф
13,8 и поэтому в поле излучения с данным значением Dexp мы уже не можем пренебречь различием в Zэф так, как мы это делали в случае воздуха и мягких тканей. При данном значении Dexpиз–за большего значенияZэф в костной ткани будет образовываться большее число фотоэлектронов и происходить большая передача энергии. Таким образом, при одной и той же экспозиционной дозе, т. е. в одном и том же поле излучения, воде будет передана меньшая энергия, чем веществу середины таблицы Менделеева и тем более тяжелым элементам.
3.2 Поглощённая доза
Для оценки радиационного воздействия проникающих излучений было предложено определять энергию, поглощенную облучаемым веществом. В дозиметрию вошло понятие: поглощенная доза, т. е. энергия, поглощенная единицей массы вещества, на которое действует поле излучения. Поглощенная доза принята в настоящее время в дозиметрии как самая фундаментальная, количественная мера действия ионизирующего излучения на вещество. Часто ее называют просто доза излучения. Согласно определению, доза излучения – это рассчитанная на единицу массы облученного вещества поглощенная энергия излучения. Если в элементе объема, содержащем массу вещества dm, средняя поглощенная энергия равна dE, то (поглощенная) доза излучения D определяется выражением:
D = dE/dm.
Ее единица в системе СИ – джоуль на килограмм – называется грей (Гр). До 1980–х гг. использовалась внесистемная единица – рад.
1Гр = 100рад.
Для мягких тканей, находящихся в поле рентгеновского или γ–излучения, экспозиционной дозе 1Р примерно соответствует поглощенная доза 1рад. Так как в течение более чем 50 первых лет работы с ионизирующими излучениями измерения сводились обычно к определению экспозиционной дозы, то для пересчетов к поглощенной дозе стали использовать соотношение: 1Р
1рад, хотя если быть точнее, то 1Р = 0,88рад. Несомненно, в определенных пределах между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект. Самой эффектной демонстрацией зависимости радиационного эффекта от дозы облучения является почернение фотопленки в поле рентгеновского излучения.
Как только мы переходим к практическим приложениям, особенно к последствиям облучения живых тканей, одной поглощенной дозы оказывается недостаточно для характеристики результата воздействия. Оказывается, что результат воздействия излучения на объект определяется не только поглощенной энергией, но и характером распределения этой энергии в облучаемом объекте, распределением облучения во времени, видом излучения и другими факторами, значимость которых различна в зависимости от условий облучения и рода измеряемого радиационного эффекта.
Самым существенным оказалось то, что биологические эффекты облучения, при прочих равных условиях, оказываются разными для разных видов излучения. Более того, даже частицы одной природы, но разных энергий могут вызывать неодинаковый эффект при одной и той же поглощенной дозе. В то же время, различие в физической природе частиц не является главным фактором различия в биологических радиационных эффектах.
Свойства ионов не зависят от причины, в результате которой они возникли, а следовательно, и от природы ионизирующих частиц. Существенным же фактором является то, что разные виды излучений создают ионы с неодинаковым пространственным распределением. Например, тяжелые заряженные частицы создают более плотный трек ионов, чем легкие. Различными оказываются диапазоны энергий, передаваемых δ–электронам, которые по–своему влияют на пространственное распределение ионов. Значительные различия обнаруживаются в микроскопическом распределении ионизации.
Физической величиной, призванной учитывать пространственное распределение переданной энергии, является линейная передача энергии –ЛПЭ (LΔ):
LΔ = (dE/dl)Δ
Это выражение напоминает выражение для тормозной способности вещества. Здесь dE– средние энергетические потери, обусловленные такими столкновениями на пути dl, при которых переданная энергия меньше заданного значения Δ. Пороговую энергию Δ обычно соотносят с энергией δ–электронов. При рассмотрении проблем, связанных с радиационной экологией, пороговая энергия не ограничена и линейная передача энергии L совпадает с тормозной способностью.
Линейная передача энергии зависит от кинетической энергии заряженной частицы. Энергия частицы уменьшается по мере проникновения ее в глубь вещества. Как следствие, изменяется и значение ЛПЭ, которая выступает как характеристика качества излучения. Под качеством в дозиметрии понимается такая характеристика излучения, которая имеет одно и то же значение у разных видов излучения, если при одинаковых условиях облучения данного объекта и одинаковой дозе наблюдается один и тот же радиационный эффект. Таким образом, радиационное действие излучений одинакового качества, в том числе излучений разных видов, должно быть одинаковым при равных дозах. Универсальной величины, которая полностью определяла бы качество излучения, нет[7].
|
|
|
Скачать 139.88 Kb.