2.4 Естественные и искусственные источники излучения

Прочитав и изучив этот раздел Вы должны:

  1. Знать, что такое естественные и искусственные источники излучения;
  2. Понимать, что представляют собой радиоактивные семейства;
  3. Представлять дозы облучения, получаемые человеком от естественных и искусственных источников излучения;
2.4.1 Естественные источники излучения

Введение

Источники ионизирующего излучения подразделяются на:

На рисунке Рис. 1 представлен средний относительный вклад различных природных источников в облучение человека.


Рис. 1 Средний относительный вклад различных природных источников в облучение человека


Естественные источники излучения

Ионизирующие излучения, происхождение которых связано с естественными радионуклидами создают естественный (природный) радиационный фон. Все живые существа, населяющие нашу планету в том числе и человек, развиваются в условиях постоянного воздействия различных естественных источников ионизирующих излучений. Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, такой же, как температура, кислород, азот, атмосферное давление.

Очевидно, естественный радиационный фон играет существенную роль в жизнедеятельности человека, как и все вещества окружающей среды, с которыми организм находится в состоянии непрерывного обмена. Есть основания полагать, что в отсутствии естественного радиационного фона по-другому протекали бы процессы в живом организме, да и эволюционное развитие жизни на Земле могло бы пойти по иному пути.

Роль естественного радиационного фона в жизни организмов, населяющих Землю, ещё до конца не выяснена. Но поскольку эволюционное развитие шло по восходящей линии, несомненно, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности растений, животных и человека.

Важными особенностями естественного фона являются два следующих обстоятельства:

К естественным источникам ионизирующего излучения относятся: космическое излучение и естественные радиоактивные вещества, распределенные на поверхности и в недрах Земли, в атмосфере, воде, растениях и организме всех живых существ, населяющих нашу планету.

 

Космическое излучение.

Различают первичное и вторичное космическое излучение.

Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц высокой энергии, попадающих в земную атмосферу из межзвездного пространства. Оно состоит в основном из протонов (90%) и a-частиц (около 10%). В меньших количествах (около 1%) присутствуют нейтроны, фотоны, электроны и ядра легких элементов: лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора.

Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики при звездных взрывах и образовании сверхновых звезд. Это так называемое галактическое космическое излучение. Кроме того при солнечных вспышках возникает солнечное космическое излучение.

Вторичное космическое излучение имеет сложный состав и состоит практически из всех известных в настоящее время элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, фотонов и др.). Оно образуется в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения с ядрами нуклидов, входящих в состав воздуха. При этом возникает вторичное излучение и образуются новые радиоактивные ядра.

Максимальная интенсивность вторичного космического излучения наблюдается на высоте 20-25 км. С уменьшением высоты его интенсивность падает и достигает минимума на уровне моря. Наибольшему облучению от космического излучения подвергаются экипажи и пассажиры самолетов (до 40 мкЗв/час), хотя само облучение кратковременно.

Рис. 2 Зависимость эквивалентной дозы, создаваемой космическими лучами, от высоты над уровнем моря

 

Другой группой естественных радионуклидов, присутствующих в окружающей среде, являются радионуклиды земного происхождения. Источником их поступления является земная кора. В свою очередь, естественные радионуклиды земного происхождения подразделяются на радионуклиды, относящиеся к радиоактивным семействами, и радионуклиды из средней части периодической системы элементов.

Все радионуклиды земного происхождения рассеяны в земной коре.

Радиоактивные семейства.

Ядра всех элементов с порядковым номером Z>82 радиоактивны. Они образуют длинные цепочки радионуклидов, где каждый последующий нуклид есть продукт распада предыдущего. Такие совокупности радионуклидов получим название радиоактивных семейств. В природе существует три радиоактивных семейства:

  1. Семейство урана - радия (родоначальник - радионуклид 23892U с периодом полураспада T1/2 около 4.51Ч109лет);
  2. Семейство тория - (родоначальник - радионуклид 23290Th с периодом полураспада T1/2 около 1.41Ч1010лет);
  3. Семейство актиния - (родоначальник радионуклид 23592U с периодом полураспада T1/2 около 7.07Ч108лет).

Конечный продукт распада у всех трех семейств - один из стабильных изотопов свинца.

На рисунках Рис.3 - Рис.5 показаны эти три семейства радионуклидов.

Рис. 3 Радиоактивное семейство уран - радия.

 

Рис. 4 Радиоактивное семейство тория.

 

Рис. 5 Радиоактивное семейство актиния.

 

Радон и продукты его распада.

Во всех трех семействах один из продуктов распада представляет собой инертный газ, который называется радоном. Вернее, в каждом из семейств образуется изотоп радона. Именно вследствие наличия газообразного радона в радиоактивных семействах продукты в его распада (следующие за радоном), содержатся во всех средах - воздухе, водоемах, почве.

 
Рис. 6 Выделение радона различными объектами

При распаде 238U и 232Th образуется изотопы газа радона с атомной массой 222 и 220, которые через поры и трещины земной поверхности непрерывно выходят в атмосферу и, распадаясь, порождают новые, переходящие в друг друга радионуклиды.

Земля на которой стоят дома, и сам строительный материал - является источниками радона. Его концентрация в наружном воздухе различается для разных точек земного шара от 1-2 Бк/м3 до 10000 Бк/м3 и более.

Как ни парадоксально может показаться на первый взгляд, но основную часть дозы облучения от радона человек получает находясь в закрытом непроветриваемом помещении. В зонах с умеренным климатом концентрации радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз. выше, чем в наружном воздухе. Изменение концентрации радона в жилом помещении показано на рисунке Рис.7.

 
Рис. 7 Изменение концентрации радона в жилом помещении

 

Герметизация помещения только усугубляет положение, поскольку при этом еще более затрудняется выход радона из помещения. Самые распространенные материалы: дерево, кирпич и бетон - выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной активности обладает гранит и пемза (используется в СНГ и Германии). В связи обнаруженной радиоактивностью к середине 70-х. годов изменения некоторых строительных материалов (глиноземов) силикатного шлака (фосфогипса) доменного шлака и др. в мире было резко сокращено.

Главный источник радона в закрытых помещениях это грунт. Однако, содержание радона в строительных материалах также может оказаться очень высоким. Поэтому требованиями HPБ-99 (п 5.3) ограничено использование стройматериалов, выделение радона которыми превышает установленные нормативы.

Основные радионуклиды из средней части периодической системы - это встречающийся в породах Земли - калий-40, рубидий-87 и др.

Значение калия-40 особенно велико для обитателей почвы - микрофлоры, корней растений, почвенной фауны. Соответственно заметно его участие во внутреннем облучении организма, его органов и тканей поскольку калий является незаменимым в ряде метаболических процессов.

В среднем облучение от этой группы земных радионуклидов составляет от 0.3 до 0.6 мЗв/год.

Заметная часть эффективной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников формулируется от радионуклидов, проходящих через сложную систему так называемых биологических цепочек. В качестве примера на рисунке Рис.8 представлена одна из схем распространения радионуклидов в окружающей среде.

Рис. 8 Схема распространения радионуклидов в окружающей среде

Дополнительно воздействие природной радиации связано с некоторыми видами деятельности человека:


Использование ископаемых видов топлива.
Уголь содержит незначительное количество природных радионуклидов, которые после его сжигания концентрируется в зольной пыли и поступает в окружающую среду с выбросами, несмотря на совершенствование систем отчистки.

Использование фосфатов.
Добыча фосфатов, которые используются главным образом для производства удобрений, ведется во многих местах. Большинство разрабатываемых в настоящее время месторождений содержит уран. В процессе добычи и переработки выделяется радон, да и сами удобрения содержат радионуклиды, проникающие в почву и далее в биологические цепочки.

Использование термальных водоемов.
Некоторые страны эксплуатируют подземные ресурсы пара и горячей воды для производства электроэнергии и теплоснабжения. При этом происходит значительное поступление радона в окружающую среду. Вклад этого источника ионизирующего излучения может возрасти, поскольку энергетические ресурсы этого вида велики.

2.4.2 Искусственные источники излучения

Искусственные (техногенных) источники ионизирующего излучения используются в промышленности, энергетике, медицине .

Медицина.
В настоящее время основной вклад в дозу, полученную человеком от искусственных источников радиации, вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением облучения.

Медицинское облучение отличается от облучения другими источниками тем, что людей облучают преднамеренно. Оправдание целесообразности такого облучения заключается в том, что польза превышает риск. Рентгенодиагностика в медицине подразделяется на рентгенографию и рентгеноскопию. Рентгеновские установки являются наиболее распространенными источниками искусственного облучения.

Чаще других органов рентгеновским исследованиям подвергаются зубы, грудная клетка и конечности. Однако, эффективные дозы от этих исследований относительно низкие - обычно 20 мЗв (0,002 бэр) - в стоматологических исследованиях или при одном снимке грудной клетки.

Наибольший вклад в дозу от рентгеновского излучения в медицине вносят исследования желудка (с бариевой кашей), нижних отделов кишечника (бариевая клизма) и мочевыделительной системы (внутривенная урограмма). Каждое из этих исследований включает применение контрастных веществ для получения четкого изображения мягких тканей. В результате изготовление большого числа снимков при этих исследованиях пациент получает дозы, которые в сотни раз выше, чем дозы при обычных исследованиях зубов или грудной клетки.

Исследования поясничного отдела позвоночного столбца, проводимые при болевых ощущениях в нижней части спины, дают умеренно высокие дозы.

В ядерной медицине пациенту вводится препарат, содержащий g-излучающие радионуклиды. Препарат обычно вводится внутривенно, а иногда проглатывается или вдыхается. Это дает возможность контролировать функционирование отдельного органа, наблюдая за распределением или выведением радионуклидов. Изображение распределения получают путем "просмотра" обследуемого органа пациента с помощью g-спектрометра. Ядерная медицина имеет значительно меньшее применение, чем рентгенодиагностика.

Рентгенотерапия - это метод лечения заболевания путем воздействия на очаг рентгеновского излучения. Рентгенотерапия используется исключительно при лечении злокачественных заболеваний в целях излечивания тяжелых проявлений болезни. Для этого наиболее часто применяют пучки высокоэнергетического излучения от источника кобальта-60.

На ткань-мишень подаются высокие дозы (десятки Грэй), в то время как окружающие здоровые ткани остаются по возможности необлученными. Дозы при рентгенотерапии очень высоки, и поэтому эта процедура считается тяжелой. Её применяют только при чрезвычайно серьезных обстоятельствах, когда другие виды лечения не дают эффективных результатов. Большую часть пациентов, подвергающихся радиотерапевтическому лечению, составляют люди, возраст которых находится за пределами детородного, и многие из них, вследствие преклонного возраста или плохого здоровья не будут жить долго. Поэтому поздний рак от облучения при таком лечении может и не появиться. Следовательно, необходимость уменьшения доз на здоровые ткани пациентов при рентгенотерапии часто менее важна, чем при рентгенодиагностике.

Глобальные эффекты ядерных испытаний

В течении последних 50 лет население Земли подвергалось облучению от радиоактивных осадков, образовавшихся в ходе многочисленных испытаний ядерного оружия в атмосфере, которые были прекращены в 1980 году. В последние годы событием, повлекшим за собой выпадение радиоактивных осадков, явилась авария на Чернобыльской АС в 1986г., хотя ее вклад в общую картину выпадений невелик.

Ядерная энергетика и промышленность

Предприятия ядерной промышленности и энергетики многих высокоразвитых государств создают еще один источник техногенного облучения. Радиоактивные выбросы атомных станций и предприятий ядерной промышленности регулируются крайне жесткими нормативами и поэтому практически не изменяют природный фон и содержание радионуклидов в окружающей среде.

 

2.4.3 Облучение от естественных и искусственных источников

Каждый источник излучения имеет две важные характеристики:

Одним из основных компонентов естественного радиационного фона является космическое излучение, а также ядерное излучение радионуклидов, образующихся под его воздействием в высоких слоях атмосферы (тритий, бериллий-7, бериллий-10, углерод-14, натрий 22, натрий-24 и др.).

Средняя доза облучения человека от космического излучения на поверхности Земли составляет ~ 400 мкЗв/год. Облучение от космического излучения не может быть снижено. Это неуправляемый источник излучения.

Радон вместе с продуктами распада вносит основной вклад в дозу, обусловленную всеми земными источниками ионизирующего излучения (~ 75%).

В природе радон встречается в двух основных формах: в виде радона-222, члена радиоактивного семейства урана-238, и в виде радона-220, члена радиоактивного семейства тория-232. Основной вклад в дозу облучения человека вносит радон-222.

Наибольшему облучению от радона и продуктов его распада подвергаются шахтеры урановых и не урановых рудников и шахт. Средняя доза для них - 26 мЗв/год. (Данные по Великобритании).

Диапазон доз облучения от радона в коммунальной сфере - 2,5-20 мЗв/год. Облучение отдельных групп может превышать среднее по региону в 10 и более раз.

Дозы от радона сравнимы с пределами доз для персонала группы А.

Осуществление противорадоновых мероприятий позволяет снизить облучение населения в 10 раз. Для этого должен проводится контроль на всех этапах строительства новых зданий, контроль источников хозпитьевого водоснабжения.

Индивидуальные дозы, получаемые разными людьми от техногенных источников, сильно различаются, хотя в большинстве случаев невелики.

НРБ-99 ограничивают дозу облучения при проведении профилактических и научных рентгенологических исследований практически здоровых лиц. Установлен норматив годовой эффективной дозы облучения - 1 мЗв. Основной же вклад в суммарную эффективную дозу дают не профилактические процедуры (флюорография, примерно 18%), а диагностические (рентгеноскопия и рентгенография, примерно 82%). Именно для них, в отличие от профилактических процедур (с пределом дозы 1 мЗв/год), предел дозы не регламентируется. Окончательное решение о проведение диагностических процедур принимает врач-радиолог с согласия пациента. При достижении дозы облучения пациента 0.5 Зв (50 Бэр) должны быть приняты меры по дальнейшему ограничению его облучения (HPБ-99, п.5, 4; ОСПОРБ-99, п.4).

Медицинское облучение является вторым по значимости источником облучения населения Российской Федерации (после природных источников). Дозы от медицинского облучения в России примерно в 4 раза выше, чем в Великобритании. Снижению доз медицинского облучения уделялось значительно меньше внимания, чем профессиональному облучению. Заметное снижение этих доз может быть достигнуто путем осуществления организационных мероприятий:

Необходимо также реализовать более дорогостоящие меры:

В настоящее время в РФ данные об эффективных дозах, получаемых пациентов при многих видах диагностических процедур получают по таблицам, подобным Таблице 1, в которой приведены средние значения эффективных доз для наиболее распространенных рентгенологических процедур.

Таблица 1. Возраст пациента - больше 19 лет (взрослые).

Область исследования Метод исследования
Доза, мкЗв
Доза, бэр
Легкие Рентгенография
152
0.015
Легкие Флюорография
810
0.0810
Легкие Рентгеноскопия
1830
0.183
Череп Рентгенография
167
0.017
Поясничный Отдел Рентгенография
1920
0.192
Желудок Рентгенография
90
0.009
Желудок Рентгеноскопия
1760
0.176
Таз, крестец Рентгенография
2230
0.223

Существенным недостатком табличного метода является то, что данные по эффективной дозе получены для идеализированных рентгеновских аппаратов и стандартных режимов облучения. Применение неисправного или устаревшего рентгеновского оборудования, несоблюдение режимов облучения приводит к существенному увеличению доз облучения по сравнению с предполагаемыми значениями.

В развитых странах рентгеновские аппараты комплектуются в обязательном порядке проходными ионизационными камерами (камерами-свидетелями). В РФ нормирование обязывает определять эффективные дозы при облучении пациентов. Определены требования Госстандарта к средствам измерений, начато серийное производство отечественных приборов.

Таким образом:

Годовые дозы облучения населения от различных источников распределены следующим образом:

Рис. 9 Вклад различных источников облучения в суммарную дозу

 

Резюме

Обективная информация об относительной значимости отдельных источников ионизирующего излучения неизбежно приведет к повышению внимания к облучению от природных и медицинских источников ионизирующего излучения. Это будет способствовать выработке и реализации оптимальной стратегии обеспечения радиационной безопасности населения, а также позволит управлять радиационной обстановкой в организациях и на территориях.