Тема 1. Гигиеническая оценка радиоактивного загрязнения
окружающей среды
Цель занятия: усвоить основы физических и биологических аспектов радиационной медицины; освоить методы радиометрии, уметь определять и давать гигиеническую оценку радиоактивного загрязнения объектов окружающей среды.
Вопросы теории: радиоактивность, мера и единицы радиоактивности; виды радиоактивных превращений; характеристика основных видов радиоактивных излучений: корпускулярных потоков и электромагнитных колебаний; естественные и искусственные радиоактивные изотопы (радионуклиды); физические и биологические аспекты действия ионизирующей радиации; пороговые и стохастические эффекты действия радиации; методы радиометрии: газоразрядный и сцинтилляционный счетчики ионов или фотонов; принципы гигиенического нормирования радиоактивного загрязнения воды и пищевых продуктов.
Студент должен:
знать: понятие радиоактивности, единицы измерения, природу рентгеновского излучения и «наведенной радиоактивности», виды и физические свойства излучений радиоактивного распада и их связь с биологической активностью радионуклидов; детерминированные и стохастические эффекты ионизирующих излучений; методы измерения и оценки радиоактивности объектов среды.
уметь: производить радиометрию воды и пищевых продуктов, давать оценку их пригодности в питании населения.
Учебный материал для выполнения задания
Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений. Мера радиоактивности - скорость распада ядер атомов. Единицы радиоактивности: беккерель (Бк) - в Международной системе единиц (SI): 1 Бк = 1 распад/сек; кюри (Ки) - внесистемная единица радиоактивности: 1 Ки = 3,7 · 1010 расп/сек = 2,2 · 1012 расп/мин; милиграмм-эквивалент радия (мг-экв Ra) - непрямая единица активности, соответствующая активности источника, создающего в окружающем воздухе такую же ионизацию, как -излучение 1 мг радия. Удельная радиоактивность воды и других жидкостей выражается в Бк/л или Ки/л; пищевых продуктов и других твердых веществ – в Бк/кг или Ки/кг.
Закон радиоактивного распада ядер неустойчивых изотопов: 1. Радиоактивный распад отдельного ядра не зависит от распада других ядер. 2. Для процесса радиоактивного распада любого ядра характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер (рис. 11). Период полураспада Т1/2 – это промежуток времени, за который число (радио)активных ядер снизится на 50%.
Рис. 11. Зависимость количества ядер неустойчивых изотопов в
источнике излучения от времени (Т1/2 – период полураспада)
Излучениямогут иметькорпускулярную или фотонную (электромагнитную) природу. Корпускулярные излучения представляют собой поток элементарных частиц: α-лучи (ядра гелия), -лучи (электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино и пр.), протоны (1p1), нейтроны (1n0) и др.; фотонное излучение (поток квантов энергии hν) представлено -излучением и сходным с ним по физико-химическим свойствам и биологическому действию рентгеновским (R- или Х-лучи).
Тип спонтанного превращения неустойчивого изотопа определяется типом испускаемых ядерных частиц:
Альфа-распад - характерен для естественных радиоактивных изотопов с большими порядковыми номерами и малыми энергиями внутриатомных связей. Выделяется -частица и -квант: 22688Ra 42 + 22286Rn + .
Электронный бета-распад возможен у естественных и искусственных изотопов. Выделяются электрон, нейтрино и энергия: 4019Ke –1+4020Ca++ .
3. Позитронный бета-распад имеет место у некоторых искусственных изотопов. Выделяются позитрон, нейтрино и -квант: 3215Pe +1+3214Si++.
4. К-захват ядром электрона с К-орбиты атома. Выделяются нейтрино и -квант: 6429Cu + e –1 6428 Ni + + .
5. Деление ядер у радиоактивных элементов с большим атомным номером при ядерных реакциях с нейтронами. Выделяются нейтроны и энергия, идет цепная реакция: 23592U + 10n 9036Kr + 14056Ba + 5 10 n + Е.
Рентгеновское излучение (Х-лучи) - это тормозное электромагнитное излучение или поток квантов энергии (h), возникающих в результате торможения быстрых электронов (ß--излучения) ядрами атомов вещества (рис. 12). Рентгеновское излучение занимает спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10-4 до 103 0А (ангстрем). Источники рентгеновских лучей – солнечное и космическое излучение; рентгеноизлучающие изотопы; рентгеновская трубка, в которой в результате бомбардировки металлической мишени электронами возникает тормозное рентгеновское излучение.
Р
ис. 12. Схема возникновения рентгеновского излучения
Рентгеновская трубка – это электровакуумный прибор, в котором катод испускает электроны, ускоряемые сильным электрическим полем между катодом и анодом. Электроны ударяются об анод и тормозятся, что вызывает испусканием анодом рентгеновских лучей. При этом энергия электронов частично преобразуется в энергию рентгеновских лучей. Рентгеновские трубки разнообразны и различаются по способу получения потока электронов (с термоэмиссионным катодом, с автоэмиссионным (острийным) катодом, с катодом, подвергаемым бомбардировке катионами и с радиоактивным источником бета-лучей); по способу вакуумирования (отпаянные, разборные); по времени излучения (непрерывные, импульсные); по способу охлаждения анода; по области излучения в рентгеновском диапазоне.
Нейтронное излучение возникает в результате ядерных реакций, например, при бомбардировке атомных ядер -частицами. В первичном комплексе космических лучей нейтроны отсутствуют в силу нестабильности, но генерируются при их взаимодействии с атомами атмосферы3. Нейтроны в стабильных ядрах устойчивы, в свободном виде - нестабильны (распадаются на протоны, электроны и антинейтрино) и крайне реакционноспособны. Среднее время жизни нейтрона около 16 мин., в плотных средах – сотни микросекунд (мксек). Свободные быстрые нейтроны (с энергией > 0,5 Мэв) как и -лучи обладают большой проникающей способностью. При столкновении с ядрами углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей живого организма, нейтроны теряют 10-15%, с ядрами водорода – 50% энергии. Поэтому вещества с большим числом атомов водорода (вода, парафин) замедляют нейтронный поток. При упругом столкновении в атомами нейтроны выбивают протоны, ионизирующие среду, и превращаются в медленные (тепловые) нейтроны, которые проникают в ядро и выбивают альфа-частицы, также вызывающие ионизацию среды. При неупругом столкновении «нейтрон - ядро атома» нейтрон поглощается атомом вещества с образованием тяжелого изотопа, подвергающегося бета-распаду с выделением -лучей. Таким образом, исчезая, нейтрон вызывает ядерные реакции, приводящие в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Поэтому основным эффектом нейтронного излучения является т.н. "наведенная радиоактивность" (искусственная радиоактивность, возникающая в результате ядерной реакции стабильного изотопа вещества с быстрыми нейтронами).
Характер взаимодействия лучей с облучаемым веществом и физические эффекты взаимодействия: α-лучи и протоны - возбуждение и ионизация атомов; -лучи - возбуждение, ионизация, тормозное рентгеновское излучение; -лучи – ионизация атомов, фотоэффект, люминесцентный эффект, рассеяние атомными электронами, образование пар «электрон+позитрон»; быстрые нейтроны - ядерные реакции и наведенная (искусственная) активность; медленные нейтроны – тепловой эффект. (табл. 17).
Таблица 17 Свойства различных видов ионизирующего излучения
Виды излучений
|
Масса, ед. массы
|
Заряд
|
Ионизация воздуха (на пути = 1 см)
|
Длина пробега
|
в воздухе
|
в тканях тела
|
Альфа-лучи
|
4,0
|
+2
|
Сотни тысяч пар ионов
|
< 10 см
|
< 0,05 мм
|
Бета-лучи
|
0,0005
|
-1, +1
|
Сотни пар ионов
|
10- 20 м
|
≈ 1 см
|
Гамма-лучи
|
0,001
|
0
|
Единицы (до 10) пар ионов
|
Тысячи м
|
> 2 м
|
Нейтроны
|
1,0
|
0
|
Ионизация вторична
|
сотни м
|
метры
|
Биологическое действие ионизирующих излучений на ядро и органеллы клетки на 1-м («физическом») этапе заключается в ионизации молекул воды и образовании химически активных центров («первичных радикалов»: О-2, ОН-, Н2О2-2, НО2-3), обладающих высоким окислительным потенциалом. Одновременно могут разрушаться SH-группы белков, группы тимина в ДНК, ненасыщенные связи липидов.
2-й этап («химический»)– взаимодействие активных радикалов с биомолекулами белков, нуклеиновых кислот и углеводов, что ведет к их деструкции. При взаимодействии с липидами образуются перекиси («вторичные радикалы»), играющие большую роль в развитии лучевого поражения: нарушается структура биологических мембран, высвобождаются многие ферменты.
3-й этап – биохимические изменения в клетках:возрастание активности ферментов ведет к распаду нуклеиновых кислот и белков, повреждается структура митохондрий и лизосом клеток. В результате физического, химического и биохимического усиления радиационного эффекта даже ничтожно малая поглощенная энергия губительна для отдельных клеток. При больших дозах происходит пикноз и исчезновение клеточного ядра, протоплазматические структуры набухают, клетки разрушаются. Радиочувствительны клетки в период роста, деления и дифференцировки и интенсивно пролиферирующие ткани. Органы, облучение которых данной дозой причиняет наибольший вред живому организму, называются критическими органами. В качестве критических органов принято рассматривать кожу, кроветворные органы, гонады и хрусталик глаза (помутнение вследствие отмирания клеток хрусталика). Гаплоидные организмы менее устойчивы к радиации, чем диплоидные. В целом видовая чувствительность возрастает по мере усложнения организма. Наиболее чувствительны к облучению новорожденные и пожилые люди, а также беременные женщины.
Различают «пороговые» и «беспороговые» эффекты действия ионизирующего излучения (ИИ) на организм.
Детерминированные эффекты (рис. 13-А) проявляются после определенного дозового порога и тяжесть поражения зависит от дозы: 1) непосредственные эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта), 2) отдаленные эффекты (лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и пр.). Детерминированные эффекты возникают при кратковременном воздействии больших доз и мощностей доз ИИ и в высокой степени персонифицированы. Пороговые дозы для тканей и органов, пороги доз острого и хронического облучения существенно различаются (облучение в аналогичных суммарных дозах, растянутое во времени, в общем повышает уровень порога и острое воздействие ИИ всегда опаснее хронического в аналогичных дозах.). Детерминированные эффекты являются в основном предметом клинической медицины.
А В
Рис. 13. Зависимости тяжести детерминированного эффекта (А) и вероятности стохастического эффекта среднестатистического веловека (В) от дозы облучения
Таблица 18. Оценка порогов детерминированных эффектов у взрослых людей
(МКРЗ, 1990, Публикация №60)
Ткань
|
Эффект
|
Порог
|
Полный эквивалент дозы, полученный за одно кратковременное облучение,
Зв
|
Мощность дозы, получаемой ежегодно при хроническом облучении в течение ряда лет, Зв/год
|
Семенники
|
Временная
стерильность
|
0,15
|
0,4
|
Постоянная
стерильность
|
3,5-6
|
2
|
Яичники
|
Стерильность
|
2,5-6
|
0,2
|
Хрусталик
|
Помутнение
|
0,5-2
|
0,1
|
Катаракта
|
5
|
0,15
|
Красный
костный мозг
|
Угнетение
кроветворения
|
0,5
|
0,4
|
Для стохастических эффектов (рис. 13-В) порога не существует, их реализация возможна при сколь угодно малых дозах облучения. От полученной дозы линейно зависит вероятность их возникновения у среднестатистического индивидуума и в популяции, но не тяжесть проявления. К стохастическим эффектам относят соматические (злокачественные опухоли, лейкозы) и генетические эффекты (наследственные болезни у потомства облученных), которые всегда носят отдаленный характер, т.к. реализуются после латентного периода (для лейкемии - 2-3 года с максимумом частоты через 7-10 лет, для большинства видов рака – 10 лет, в среднем 20-25 лет). Стохастические эффекты являются предметом профилактической медицины.
Гигиеническая оценка радиоактивного загрязнения объектов производится по уровню предельного годового поступления определенных радиоактивных изотопов с вдыхаемым воздухом, питьевой водой и пищей (ПГП) -показателю внутреннего облучения человека инкорпорированными радионуклидами (табл.19). При поступлении радионуклидов через органы дыхания изотопы подразделяют на 3 класса в зависимости от длительности эффективного периода: класс М (медленный) – при Тэфф 100 суток; П (промежуточный) – при Тэфф = 10-100 сут. и Б (быстрый) при Тэфф 10 сут.
Таблица 19. Пределы годового поступления некоторых радионуклидов с воздухом, водой и пищей для населения (НРБ-99)
Изотоп, (класс)
|
Т1/2
|
ПГП
с воздухом
|
ПГП
с водой и пищей
|
Бк/год
|
Бк/м3
|
Бк/год
|
Бк/кг
|
131I (Б)
|
8 сут.
|
1,3. 105
|
1,8.101
|
4,5.104
|
5,7.101
|
24Na (Б)
|
15 ч.
|
3,3.106
|
4,6.102
|
2,3.106
|
2,9.103
|
32P (Б)
|
14,3 сут.
|
1,3.106
|
1,7.102
|
4,2.105
|
5,2.102
|
60Co (П)
|
5,27 г.
|
1,0.105
|
1,4.101
|
2,9.105
|
3,7.102
|
90Sr (Б)
|
29,1 г.
|
4,2.104
|
5,7
|
3,6.104
|
4,5.101
|
137Cs (Б)
|
30 лет
|
2,1.105
|
2,9.101
|
7,7.104
|
9,6.101
|
226Ra (П)
|
1600 лет
|
6,3.101
|
8,6.10-3
|
3,6.103
|
4,5
|
232Th (П)
|
1,4.1010 л.
|
2,4.101
|
3,3.10-3
|
4,3.103
|
5,4
|
238U (Б)
|
4,5.109 л.
|
2,0.103
|
2,8.10-1
|
6,0.102
|
7,3.10-1
|
Эффективный период – это период снижения активности изотопа в 2 раза за счет распада и выведения из организма:
Тэфф. = ( Т1/2 распада · Т1/2 выведения) / (Т1/2 распада + Т1/2 выведения),
где Т1/2 распада – период полураспада изотопа, Т1/2 выведения – период полувыведения изотопа из организма (для некоторых изотопов значительно зависит от возраста, например, Т1/2выведения Сs-137 = 9 дней (дети до 1 года) и 90 дней (пожилые 70 лет)). Чем выше эффективный период изотопа, тем больше его радиотоксичность (табл. 20).
Таблица 20. Эффективный период некоторых изотопов
Тэфф
|
Радиоактивный изотоп
|
Часы
|
24Na, 64Cu
|
Дни
|
131I, 32P, 35S
|
Десятки лет
|
226Ra, 90Sr
|
Принципы радиометрии. Определение радиоактивности объектов среды называется радиометрией, методы которой основаны на способности ИИ вызывать ионизацию молекул среды (ионизационный метод) или некоторых химических веществ (люминофоров) преобразовывать энергию ИИ в световую (люминесцентный метод).
При работе с радиометром учитывают, что число импульсов, регистрируемых счетчиков в единицу времени несколько меньше числа истинных распадов, т.к. часть частиц и квантов не попадает в счетчик из-за хаотического характера распадов атомов и направления их движения, а также ввиду возможности одновременного попадания в счетчик двух и более частиц или квантов, которые вызовут один импульс тока. Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера в ионизационном методе служит детектором ИИ (рис. 14).
Рис. 14. Схема счетчика Гейгера-Мюллера
Счетчик Гейгера-Льюиса представляет собой стеклянную или металлическую трубку, заполненную инертным газом с примесью паров спирта, в которую впаян анод в виде нити, а его стенка – катод (напряжение на электродах 800-2000 вольт). Образовавшиеся при ионизации газа ионы приобретают огромную кинетическую энергию и, устремляясь к противоположно заряженным электродам, производят вторичную ионизацию молекул газа. Одна частица или квант излучения вызывают полную мгновенную ионизацию газа в газоразрядной трубке, а декатронные или электронные счетчики радиометра фиксируют количество возникающих импульсов тока за секунду или минуту.
Сцинтилляционный детектор представляет собой цилиндр, внутренняя поверхность которого покрыта органическим (антрацен, стильбен, нафталин), либо неорганическим (ZnS, NaI, BaF3) веществом, испускающим фотоны света под действием радиации. Вспышки света регистрируются фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) в виде импульсов тока.
Лабораторная работа
«Определение и гигиеническая оценка радиоактивного загрязнения объектов среды»
Задания студенту:
Ознакомиться с методами радиометрии воды и пищевых продуктов.
Ознакомиться с методиками радиометрии на радиометре системы Б и радиометре-дозиметре ДРГБ-04.
Получив препараты с сухим остатком воды и золой хлеба, записать в протокол паспортные данные этих проб.
Произвести радиометрию препаратов и рассчитать удельную радиоактивность проб воды и хлеба в Бк/кг.
Составить заключение о пригодности воды и хлеба.
Методика работы:
1. Радиометрия радиометром системы «Б»
с газоразрядным счетчиком
Подготовка прибора к работе:
Включить прибор в электрическую сеть.
Нажать кнопку «Сеть» или «Пуск» на 10-15 мин, чтобы прибор прогрелся.
Переключатель знака входного сигнала поставить в положение «+» (на Б-3) или (на Б-4) и нажать «1:1».
Нажать клавишу «Сброс», на декатронах установится «0».
Нажать клавишу «Проверка» или «50 Гц» одновременно с пуском секундомера, через 1 мин. нажать «Стоп». На декатронах должно быть 3000100 имп/мин.
Нажать клавишу «Сброс». На радиометре Б-4 поставить переключатель в положение « ». Прибор к работе готов.
Определение скорости счета от фона (Nф)
Нажать кнопку «Пуск» с одновременным включением секундомера.
Через 1 минуту нажать «Стоп», записать показания декатронов, равные Nф в имп/мин; нажать «Сброс».
Определение эффективности счета прибора по эталону:
Эффективность счета (ЭС)– показатель того, сколько процентов от истинного числа распадов, произошедших в препарате («мишени») за определенное время, радиометр регистрирует в виде импульсов тока.
Установить эталон на подставку под газоразрядным счетчиком.
Нажать кнопку «Пуск», а через минуту «Стоп»; записать показания декатронов (Nэт) в имп/мин.
Рассчитать ЭС = [(Nэт – Nф) / Аэт] 100, где Аэт – указанная на эталоне истинная радиоактивность в распадах в минуту.
Определение абсолютной активности препаратов (Апр)
Для определения активности препаратов, приготовленных из воды (сухого остатка) или хлеба (золы), на подставку газоразрядного счетчика надо установить соответствующий препарат и определить число импульсов за 1 минуту (Nпр). Используя показатель ЭС (%), произвести расчет истинной активности каждого из препаратов в расп/мин:
Апр = [(Nпр – Nф) / ЭС] 100.
Сообразуясь с условиями задачи, нужно рассчитать удельную радиоактивность воды в Бк/л, а пищевых продуктов – в Бк/кг.
2. Радиометрия электронным дозиметром-радиометром «ДРГБ-04»
Установка работы радиометра
Установить переключатель прибора в крайнее правое положение, нажать кнопку звукового сигнализатора.
После появления на дисплее индекса В переждать 3 цикла изменения показателя времени от 1 до 0.
Определение скорости счета от фона (Nф)
Снять предохранитель с задней стенки прибора и, держа прибор на расстоянии нескольких см от стола, измерить радиоактивность фона помещения. Для этого нажать 2 раза кнопку выбора режима работы до появления на дисплее буквы А и индикации количества зарегистрированных импульсов за 1 сек. Продолжать измерения в течение 30 секунд. При повторном кратковременном нажатии кнопки выбора режима процесс останавливается и на дисплее появляется средняя скорость счета в имп/сек от фона. Запишите в протокол Nф.
Определение эффективности счета прибора (ЭС) по эталону
Поместить на подставку прибора эталон с известной радиоактивностью, измерить показания прибора описанным выше способом и записать Nэт, а затем рассчитать эффективность счета прибора в %:
ЭС = [(Nэт– Nф)/Аэт] 100.
Определение абсолютной активности препаратов (Апр)
Определить активность в Бк (имп/сек) препаратов, приготовленных из воды и из хлеба и рассчитать их радиоактивность
Апр = [(Nпр – Nф) / ЭС] 100
и удельную активность воды в Бк/л и хлеба в Бк/кг (см. условия задачи).
Заключение о допустимости загрязнения воды данным радионуклидом для использования ее в питьевых целях населением дается путем сравнения удельной активности воды в Бк/л (1 л воды имеет массу 1 кг) и ПГП в Бк/кг для того радионуклида, который содержался в пробе воды (табл. 19). Для того, чтобы сделать заключение о качестве хлеба, достаточно сравнить удельную радиоактивность хлеба в пробе (Бк/кг) с ПГП для изотопа, присутствующего в хлебе.
Пример оценки радиоактивного загрязнения воды и пищи
Задача. Через год после аварии ядерного реактора в г. Ч. на головных сооружениях водопровода из реки Д. взята проба воды (2 л), после выпаривания которой из сухого остатка приготовлен препарат для радиометрии. С поля, расположенного в 600 км к юго-востоку от г.Ч. убран урожай пшеницы, часть которой поступила для выпечки хлеба в г.К. Из пробной партии хлеба взято для исследования 500 г (по 100 г из 5 разных буханок хлеба). После прокаливания этой порции хлеба в муфельной печи из золы приготовлен препарат для радиометрии. Известно, что из долгоживущих радиоактивных изотопов к моменту отбора проб воды и пшеницы остался в основном Sr-90. Для определения пригодности использования воды реки Д. для питья и хлеба собранного урожая для питания населения проведено радиометрическое исследование.
Результаты радиометрии:
Радиационный фон (Nф) = 320 имп/мин;
2. Эффективность счета радиометра: от эталона, имеющего радиоактивность Аэт= 4800 распадов в минуту, зарегистрировано 600 имп/мин (Nэт); Э.С. = [(600– 320)/4800] 100 = 5,8%;
3. Определение абсолютной и удельной активности воды: в препарате воды определено Nв= 960 имп/мин; Ав = [(960 – 320)/5,8] 100 = 11034 расп/мин или 11034/60 = 184 имп/сек = 184 Бк; удельная активность воды = 184/2 л = 92 Бк/л = 9,2.101 Бк/кг.
4. Определение абсолютной и удельной активности препарата, приготовленного из 500 г хлеба: в препарате из 500 г хлеба Nхл== 1180 имп/мин.; Ахл = [(1180 – 320)/5,8] 100 = 14828 расп/мин или Ахл = 14828/60 = 247 Бк; удельная радиоактивность хлеба = 247/0,5 кг = 494 Бк/кг = 4,94.102 Бк/кг.
Заключение:
1. Поскольку ПГП Sr-90 в воде и пище = 4,5.101 Бк/кг (табл. 19), водопроводная вода из р.Д. после обычной очистки содержит недопустимое радиоактивное загрязнение и непригодна для питья. Она может быть использована в качестве питьевой воды только после дезактивации и повторной радиометрии в случае допустимого остаточного содержания в ней Sr-90.
2. Содержание Sr-90 в исследованном хлебе в 11 раз превышает ПГП Sr-90 в пище (4,5.101 Бк/кг); его допустимое количество содержится в 1000/11, т.е. в 90 г хлеба. Значит ежедневно каждый человек должен съедать не более 90 г этого хлеба, что практически нереально. Следовательно, хлеб не может быть использован в качестве продукта питания.
|
Скачать 4.27 Mb.