14.2. Корпускулярные ионизирующие излучения

К корпускулярным ИИ относят нейтроны и ускоренные заряженные час­тицы.

Нейтронное излучение возникает при бомбардировке атомного ядра ускоренной заряженной частицей или фотоном высокой энергии. Поми­мо лабораторных условий, такой путь реализуется при взрывах атомных боеприпасов, где источником этих частиц служат цепные реакции деле­ния ядер ²³⁵U или ²³⁹Ри. Другой путь образования нейтронов -- синтез ядер легких элементов — дейтерия (jD²), трития ОТ³) и лития (3U⁶), про­исходящий при взрывах термоядерных (водородных) боеприпасов.

Нейтроны могут быть классифицированы по их энергии (табл. 61).

Таблица 61

Классификация нейтронов в зависимости от энергии

Большинство нейтронов, образующихся при взрывах атомных бое­припасов, относится к быстрым нейтронам, а при взрывах водородных боеприпасов — к нейтронам очень больших энергий.

Так как нейтроны не имеют заряда, они не оказывают непосредствен­ного влияния на электронную оболочку атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, нейтроны либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (участие в ядерных перестройках). Ниже раскрывается содержание процессов взаимодействия нейтронов с атомами вещества.

Упругое рассеяние. При столкновении с ядрами углерода, азота, кисло­рода, фосфора нейтроны теряют 10—15% , а при столкновении с ядрами водорода — до 2/3 своей энергии. Потерянная нейтронами энергия пере­дается «ядрам отдачи» — положительно заряженным частицам, имеющим высокую ионизирующую способность. Упругое рассеяние — основной путь потери энергии нейтронами, возникающими при атомных и водо­родных взрывах.

Неупругое рассеяние. В этом случае часть энергии расходуется нейтро­нами на возбуждение (разновидность колебательного движения) ядер-мишеней. В исходное состояние ядра возвращаются испуская фотоны у-излучения.

Ядерные перестройки. При поглощении ядрами нейтронов происходит выброс протонов, а-частиц, у-квантов, возникают искусственные радио­активные изотопы (это явление называется наведенной активностью).

Образующиеся при взаимодействии нейтронов с веществом ускорен­ные заряженные частицы — ядра отдачи — вносят основной вклад в иони­зацию и возбуждение атомов вещества. Поэтому нейтроны, так же как рентгеновы и у-лучи, называют косвенно ионизирующим излучением.

Проникающая способность нейтронов несколько меньше, чем у у-из-лучения, но существенно больше, чем у ускоренных заряженных частиц. При ядерных и водородных взрывах нейтронный поток распространяется на сотни метров, легко проникая сквозь стальную броню и железобетон. Энергия нейтронов наиболее эффективно передается ядрам легких ато­мов. Поэтому вещества, богатые атомами водорода, бериллия, углерода, находят применение в экранировании от нейтронного излучения. Тяже-

лые металлы, плохо задерживающие нейтроны, могут применяться для ослабления вторичного у-излучения, возникающего в легких материалах в результате неупругого рассеяния нейтронов и ядерных перестроек.

Ускоренные заряженные частицы — это перемещающиеся в простран­стве источники электрического поля (поток электронов — р-частиц, протонов, ядер атома гелия — а-частиц). Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются некоторые из природных ра­диоизотопов. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц.

При прохождении через вещество заряженные частицы могут взаимо­действовать с его атомами. Ниже раскрываются формы этого взаимодей­ствия.

Упругое рассеяние — изменение траектории заряженной частицы в ре­зультате отталкивания от атомных ядер без потери энергии. Чем меньше масса частицы, тем больше ее отклонение от прямого направления. Поэ­тому траектории р-частиц в веществе изломаны, а протонов и а-частиц — практически прямые.

Неупругое торможение. Электрон при прохождении вблизи атомного ядра теряет скорость и энергию. При этом может испускаться фотон тор­мозного излучения, летящий в том же направлении, что и электрон.

Ионизация и возбуждение атомов в результате взаимодействия частицы с их электронными оболочками — основной путь потери энергии уско­ренных заряженных частиц в веществе. Под действием их электрического поля происходит возмущение электронных оболочек атомов с переходом последних в возбужденное или ионизированное состояние. Способность ускоренных заряженных частиц непосредственно взаимодействовать с электронными оболочками атомов позволила определить их как первич­но ионизирующие излучения.

Проникающая способность ускоренных заряженных частиц, как прави­ло, невелика. Она прямо пропорциональна энергии, массе и квадрату скорости частицы. Напротив, связь проникающей способности с абсо­лютной величиной заряда частиц является отрицательной. Пробег р-час­тиц в воздухе составляет десятки сантиметров, а а-частиц — миллиметры. Одежда надежно защищает человека от воздействия этих излучений изв­не. Однако поступление их источников внутрь организма является опас­ным, поскольку пробег а- или р-частиц в тканях превышает размеры кле­ток, что создает условия для воздействия излучения на чувствительные к нему субклеточные структуры.

W.3. Плотноионизирующие

и редкоионизирующие излучения

Первичные изменения атомов и молекул сводятся к ионизации или воз­буждению и качественно не зависят от вида действующего на них ИИ. Однако при одном и том же количестве энергии, поглощенной единицею массы вещества, микропространственное распределение этой энергии в облученном объеме различно. Это различие определяется линейной пере­дачей энергии (ЛПЭ) — количеством энергии, передаваемой частицей ве­ществу в среднем на единицу длины пройденного в нем пути:

ЛПЭ = ДЕ/Дх,

где Е — энергия частицы (эВ); х — путь частицы (мкм).

ЛПЭ зависит от вида ИИ и плотности вещества. Значения этого по­казателя, приводимые в справочных таблицах, обычно соответствуют величине ЛПЭ конкретного ИИ в воде. ЛПЭ электромагнитных ИИ и нейтронов определяется величиной ЛПЭ первичных ионизирующих факторов (электронов и ядер отдачи, соответственно).

Зная величину ЛПЭ, можно определить среднее число ионов, образу­ющихся на единицу длины пути частицы ИИ. Для этого надо разделить величину ЛПЭ на величину энергии, необходимой для образования од­ной пары ионов (как отмечалось, эта величина составляет 34 эВ). Коли­чество пар ионов, образующихся в среднем на 1 мкм пути частицы ИИ в веществе, называется линейной плотностью ионизации (ЛПИ).

В зависимости от величины ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие (табл. 62).

Таблица 62

Редкоионизирующие и плотноионизирующие излучения

Редкоионизирующие излучения отличаются сравнительно высокой проникающей способностью, и в силу этого их энергия распределяется в объеме облучаемых тел более равномерно, чем в случае воздействия плот-ноионизирующих ИИ. Для микроскопических тел (по размерам сопоста­вимых с клетками) эта разница несущественна и различия в эффекте рав­ных по энергии количеств излучения определяются исключительно вели­чиной ЛПЭ. С величиной ЛПЭ прямо связана и относительная биологиче­ская эффективность (ОБЭ) излучения в отношении микроскопических биообъектов.

При воздействии на вещество нейтронов образуются ядра отдачи, ве­личина ЛПЭ которых велика. Поэтому и нейтроны относят к плотноиони-зирующим ИИ. Вместе с тем нейтроны обладают и большой проникающей способностью; образующиеся при их действии плотноионизирующие час­тицы возникают на разной глубине в толще облучаемого объекта.

WA. Количественная оценка ионизирующих излучений. Основы дозиметрии

Выявление ИИ и количественная оценка уровня радиационных воздейст­вий называется дозиметрией. Для количественной характеристики уровня лучевого воздействия введено понятие дозы излучения. Применяются три основных вида дозы — экспозиционная, поглощенная и эквивалентная.

Экспозиционная доза (X) — мера количества ИИ, физическим смыс­лом которой является суммарный заряд ионов одного знака, образую­щихся при облучении воздуха в его единичной массе:

X = Д07дт,

где ДО — суммарный заряд всех ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, образовавшихся в малом объе­ме пространства, Дт — масса воздуха в этом объеме.

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон, делен­ный на килограмм (Кл/кг). Более часто, однако, применяется внесистем­ная единица экспозиционной дозы — рентген (Р), соответствующая об­разованию 2,1 • 10⁹ пар ионов в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях. 1Кл/кг = 3876 Р; 1Р = 2,58 • Ю^-4 Кл/кг.

Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах, ко­личественно различны. Это связано с разным количеством энергии, пе­редаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных ве­ществ. Учесть этот фактор можно выражая количество ИИ в единицах поглощенной дозы (D). Физический смысл поглощенной дозы — количе­ство энергии, передаваемой излучением единичной массе вещества:

D = ДЕ/Дт,

где ДЕ — энергия излучения, поглощенная малой массой вещества Дт.

В системе СИ поглощенную дозу выражают в греях (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. Часто пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы — рад (аббревиатура eradiation absorbed dose»). Рад равен сантигрею (1 рад = Ю-² Гр).

Непосредственно измерить биологически значимые величины погло­щенных доз не всегда возможно из-за незначительности соответствую­щей им энергии. Так, при общем облучении человека массой 76 кг в смертельной дозе 4 Гр его телу сообщается энергия 305 Дж. Ее достаточно лишь для нагревания тела на 0,001 С. Поэтому непосредственно измеря­ется, как правило, экспозиционная доза ИИ, а поглощенная доза рассчи­тывается с учетом свойств облучаемой среды. В воздухе 1 рентген соот­ветствует 0,89 рад, а в тканях организма в среднем 0,95 рад.

Эквивалентная доза. Различные ИИ вызывают в биосистемах количе­ственно различные эффекты даже при одинаковой поглощенной дозе. Это связано, главным образом, с такими характеристиками ИИ, как ЛПЭ и коэффициент ослабления ц. Для малоразмерных биологических объек­тов (например, для макромолекул, клеточных органелл и клеток) больше­му значению ЛПЭ воздействующего на них излучения соответствует большее число актов ионизации и возбуждения, возникающих в пределах конкретного биообъекта. Соответственно, большим оказывается и по­вреждающий эффект плотноионизирующих излучений в отношении кле­ток и субклеточных структур. Данное различие выражается величиной ОБЭ. Для рентгеновского и у-излучения ее принимают равной 1, а для каждого из остальных ИИ значение ОБЭ рассчитывают как отношение равноэффективных поглощенных доз рентгеновского и рассматриваемо­го ИИ. Значения ОБЭ для некоторых видов ИИ представлены в табл. 63.

Таблица 63

Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений для клеток

Эквивалентная доза (Н) позволяет учесть различия биологической ак­тивности ИИ:

Н = D-ОБЭ,

где D — поглощенная доза ИИ в данной точке биообъекта.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы служит зиверт (Зв), а внесистемной единицей является бэр (аббревиатура «биологический экви­валент рада»). 1 Зв = 100 бэр.

Приборы, предназначенные для измерения дозы облучения объекта внешним источником, называются измерителями дозы (дозиметрами).

Мощность дозы излучения (уровень радиации). Этот показатель харак­теризует интенсивность лучевого воздействия. Мощность дозы понимают как дозу (экспозиционную, поглощенную или эквивалентную), регист­рируемую за единицу времени. В системе СИ мощность экспозиционной дозы выражают в Кл/(кг • с), т. е. А/кг. Весьма часто пользуются внесис­темной единицей мощности дозы — Р/ч и ее производными (мР/ч, мкР/ч). Единицами мощности поглощенной дозы служат Гр/с, рад/с и их производные. При длительных воздействиях недифференцированных по­токов ИИ используют внесистемные единицы мощности эквивалентной дозы — Зв/год и бэр/год.

В зависимости от величины мощности дозы различают кратковремен­ное, пролонгированное и хроническое облучение. Кратковременным облуче­ние считается при мощности дозы свыше 0,02 Гр/мин. Непрерывное ра­диационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет называют

хроническим, а пролонгированное облучение занимает промежуточное положение между первыми двумя. В случае облучения организма челове­ка, если не менее 80% всей дозы регистрируются не более чем за 4 сут, об­лучение называется однократным.

В зависимости от распределения дозы во времени различают непре­рывное и фракционированное облучение. Если доза ИИ разделена на части (фракции), чередующиеся с интервалами времени, в течение которых об­лучения не происходит, облучение называют фракционированным. Если эти интервалы меньше суток, то по результатам действия на человека фракционированное облучение приближается к непрерывному.

Значение мощности дозы излучения состоит в том, что при равной дозе облучения радиобиологические эффекты выражены тем сильнее, чем больше мощность дозы излучения. Основные дозиметрические вели­чины и единицы их измерения представлены в табл. 64.

Таблица 64

Основные дозиметрические величины и единицы их измерения

Приборы, предназначенные для измерения мощности дозы облуче­ния объекта из внешнего источника, называются измерителями мощности дозы (рентгенметрами).

Основные источники ионизирующих излучений

По происхождению источники ИИ подразделяются на естественные и искусственные. В промышленно развитых странах от естественных источ­ников население получает около 2/3 суммарной дозы облучения. Меди­цинские процедуры (лучевая диагностика и лучевая терапия) обусловли­вают около трети этой дозы, а вклад в нее атомной энергетики, других мирных форм применения источников ИИ и испытаний ядерного ору­жия пренебрежимо мал (рис. 64).

Совокупность потоков ИИ, происходящих из естественных источни­ков, называется природным радиационным фоном Земли. Согласно со­временным представлениям, последний играет важную роль в качестве движущей силы изменчивости биологических видов, а также одного из факторов поддержания неспецифической резистентности организма.

Извне на организм воздействует в основном у-излучение, источником которого преимущественно являются радиоактивные вещества, присут­ствующие в земной коре. В каменных зданиях интенсивность внешнего у-облучения в несколько раз ниже, чем на открытой местности, что объяс­няется экранирующими свойствами конструкционных материалов. Ис­пользуя специальные приемы экранирования, удается практически пол­ностью устранить внешнее у-облучение организма. По мере увеличения высоты над поверхностью моря роль земных источников внешнего облу­чения уменьшается. При этом возрастает космическая составляющая природного радиационного фона.

Большинство естественных источников ИИ таковы, что избежать их излучения невозможно: это радиоактивные вещества, входящие в состав организма. Их вклад в суммарную дозу от естественных источников со­ставляет около 2/3.

Искусственные (техногенные) источники ИИ включают в себя рент­геновские трубки, ускорители заряженных частиц, а также устройства, содержащие радионуклиды. Последняя группа подразделяется на откры­тые (имеющие непосредственный контакт с атмосферой) и закрытые (заключенные в герметичную оболочку) источники ИИ. Как правило, за­крытые источники ИИ используют с целью внешнего лучевого воздейст­вия на объекты. Они являются конструктивными элементами у-терапев­тических установок, дефектоскопов, атомных реакторов, а также некото­рых дозиметрических и радиометрических приборов.

Источниками слабого рентгеновского излучения могут служить ра­диолампы и электронно-лучевые трубки, широко представленные в про­изводственной и бытовой технике. Однако в штатных условиях эксплуа­тации интенсивность лучевого воздействия на человека со стороны этих устройств не выходит за основные дозовые пределы, регламентируемые нормами радиационной безопасности.

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от искусственных ис­точников ИИ, в настоящее время вносят лечебные и диагностические процедуры. Лучевая нагрузка при некоторых из них указана в табл. 65. В экономически развитых странах дозы облучения населения с медицин­скими целями втрое выше, чем в мире в среднем.

Таблица 65

Ориентировочные значения поглощенной дозы излучения при некоторых медицинских процедурах

Источники ИИ, наиболее актуальные в военное время. В случае приме­нения ядерного оружия или крупномасштабных аварий на объектах ядер--ной энергетики ожидается многократное возрастание интенсивности лу­чевых воздействий на организм. Основными радиационными факторами ядерного взрыва являются проникающая радиация и радиоактивное зара­жение местности (РЗМ).