Защита от ионизирующих излучений

Глава 20. защита от ионизирующих

Излучений

 

Ионизация – образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул под воздействием излучений.

Ионизирующее излучение – излучение, приводящее к образованию ионов. Для ионизации среды необходима энергия. Энергию излу­чения, которая расходуется на ионизацию, измеряют в джоулях (Дж). Внесис­темная единица – электрон-вольт(эВ). Энергию в 1 электрон-вольтприобретает электрон с зарядом минус 1 при прохождении уско­ряющей разности потенциалов в 1 вольт. 1 эВ равен 1,6·10^–19 Дж.

 

ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде ядер или ядерных реакциях. Этот вид излучения наблюдается преимуще­ственно у естественных радиоактивных элементов (радий, торий, уран и др.). Их энергия не превышает несколько мегаэлектроновольт (МэВ). Длина пробега в воздухе 2,5–9 см, в биологических тканях – несколько десятков микрометров. Обладая сравнительно большой массой, альфа-частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии с веществом, что обусловливает их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию.

Бет а-излучение – поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. Энергия бета-частиц не превышает нескольких мегаэлектроновольт (МэВ). Максимальный пробег в воздухе составляет около 1700 см, в тканях – 2,5 мм. Ионизирующая способность бета-частиц ниже, а проникающая способность выше, чем альфа-частиц, так как они обладают значительно меньшей массой и при равной с альфа-частицами энергией имеют меньший заряд.

Гамма-излучение относится кэлектромагнитному излучению и представляет собой поток квантов энергии, распространяющихся со скоростью света. Проникающая способность гамма-излучения очень высокая и находится в прямой зависимости от энергии, находящейся в пределах 0,01–10 МэВ.

Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение с длиной волны 0,006–2 нм. Важнейшее свойство – большая проникающая способность при незначительной ионизации среды.

Нейтронное излучение – поток нейтронов. В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается, прев­ращаясь в протон, электрон и нейтрино. Среднее время жизни нейтрона приблизительно 1000 сек.Период полураспада потока нейтронов около 14 минут. Нейтроны обладают большой проникающей способностью. Биологическое действие потока нейтронов в зависимо­сти от их энергии в 3–10 раз превышает действие гамма-излучения. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они вза­имодействуют не с электронами электронной оболочки, а с ядрами атомов. Характер этого взаимодействия определяется энергией нейтрона и составом атома вещества, с которым взаимодействует нейтрон. При ионизации атомы и молекулы клеток живой ткани за счет нарушения химических связей и распада жизненно важных веществ погибают или теряют способность к жизнедеятельности. В зависимости от энергий нейтроны принято делить на группы: быстрые нейтроны – 15–0,5 Мэв; промежуточные – 0,5Мэв–100 эв; медленные – 100–1 эв; тепловые – 0,2–0,025 эв. Поток нейтронов измеряется числом нейтронов, приходящихся на квадратный метр поверхности – нейтрон/м². Плотность потока – нейтрон/(м²·с).

 

ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Важной характеристикой источника ионизирующего излучения является активность источника,равная числу самопро­извольных ядерных превращений в этом источнике за определенный интервал времени. Единица активности – беккерель (Бк), равна 1 ядерному превращению (распаду) за 1 с. Единицу, равную 3,7·10¹⁰ Бк, называют кюри(Ки), что соответствует активности 1 г радия.

Основным параметром, характеризующим поражающее действие проникающей радиации, является доза излучения. Доза излучения – величина, характеризующая объем поглощенной от источника ионизирующего излучения энергии, отнесенной к единице массы облучаемого вещества. Различают экспозиционную и поглощенную дозы.

Экспозиционная доза – это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объеме воздуха к массе воздуха в этом объеме. Экспозиционная доза характеризует радиационную обстановку на местности. Единицей экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица – рентген (Р). 1Кл/кг равен 3880Р.

Поражающее действие любого вида ионизирующего излучения определяется количеством энергии, поглощенным биологической тканью. Для оценки этой величины введено понятие поглощенной дозы.

Поглощенная доза измеряется количеством энергии любого вида ионизирующего излучения (альфа-, бета-, гамма- или нейтронного излучения), поглощенной 1 кг вещества. Единица измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения – грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Для учета влияния на организм человека различных видов излучения на различные органы введены понятия эквивалентная и эффективная дозы. При одинаковой поглощенной дозе различных видов излучений (альфа-, бета-, гамма-,нейтронное излучение) биологический эффект оказывается разным из-за различия в ионизирующей способности частиц.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения (эквивалентная доза) – произведение поглощенной дозы на взвешивающий коэффициент данного вида ионизирующего излучения (табл. 20.1). Единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв).

Таблица 20.1

Значение взвешивающего коэффициента для отдельных видов ионизирующих излучений

Вид излучения	Взвешивающий коэффициент
Рентгеновское и гамма-излучение	1
Электроны и позитроны, бета-излучение	1
Протоны с энергией до 10 МэВ	10
Нейтроны с энергией до 20 кэВ (тепловые)	3
Нейтроны с энергией более 10 МэВ (быстрые)	10
Альфа-излучение с энергией более 10 МэВ	20
Тяжелые ядра	20

 

Эффективная доза – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для всего организма.

Таблица 20.2

Значение коэффициента радиационного риска для отдельных органов

Органы, ткани	Коэффициент
Гонады (половые железы)	0,2
Красный костный мозг	0,12
Желудок	0,12
Легкие	0,12
Печень	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Головной мозг	0,025

 

Коэффициенты радиационного риска рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единица измерения эффективной дозы – зиверт (Зв).

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Существуют два вида воздействия радиоактивных частиц на живые объекты: внешнее облучение и внутреннее (с вдыхаемым воздухом, пищей, проникновением через кожу). Причины действия облучения на живые организмы:

- разрыв молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений при ионизации живой ткани, что приводит к гибели клеток;

- радиолиз воды, составляющей около 70% массы ткани, с образованием свободных радикалов, а также сильных окислителей – гидропероксида и пероксида водорода.

Продукты радиолиза весьма активны. Они вступают в химические реакции с молекулами тканей и, образуя новые соединения, разрушают клетки. Изменение состава отдельных молекул клетки и ее гибель выводят из строя многие сотни и тысячи других молекул погибшей клетки, несмотря на то, что они не подверглись излучению. Эта огромная, многократная поражающая способность является особенностью воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты.

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов: детерминированные (определенные) пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни и др.).

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Радиоактивные вещества и источники ионизирующих излучений применяют в различных областях народного хозяйства: ядерной энергетике, металлургической, химической, машиностроительной и других отраслях промышленности. К группе источников ионизирующей радиации относятся предприятия по добыче, переработке и получению расщепляющих материалов и искусственных радиоактивных веществ (предприятия атомной промышленности): урановые рудники, заводы по получению обогащенного урана и др. В промышленности и в других отраслях активной деятельности человека источники ионизирующих излучений в абсолютном большинстве случаев применяются в виде источников закрытого типа.

Внешние источники ионизирующих излучений делят на следующие группы: радиоизотопные источники электрической энергии; мощные радиационные устройства с источниками гамма-излучения и с ускорителями электронов; радиационные дефектоскопы; радиоизотопные приборы; высокочувствительные установки для ядерно-физических методов анализа. К наиболее распространенным источникам ионизирующего излучения относятся радиоизотопные приборы (РИП) и гамма-дефектоскопические аппараты.

При изучении геологических разрезов нефтяных и газовых месторождений используют радиоактивные методы исследования скважин – гамма-метод и нейтронный гамма-метод. Радиоактивные методы исследования скважин основываются на измерении в скважинах естественного или искусственного радиоактивного излучения горных пород.

 

ЗАЩИТА ОТ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Защита от ионизирующих излучений осуществляется так же, как и от других опасных и вредных производственных факторов

Z = (Z _тφ + Z _тρ + Z _тτ + Z _сиз) + Z _от + Z _ор.                          (20.1)

При этом учитывается, что на одном и том же отрезке пути ионизирующее излучение в более плотном веществе потеряет больше энергии, чем в менее плотном, а потеря энергии означает уменьшение дозы излучения (см. рис. 20.1).

На границе А-А доза излучения окажется равной Д₀/2. Если преграда достаточно толстая и в ней умещается несколько слоев толщиной d _пол, то на границе Б-Б доза излучения будет вдвое меньше, чем на границе А-А, или вчетверо меньше Д₀. В общем виде ослабление дозы излучения преградой толщиной h пропорционально 2·(h / d _пол). Отсюда доза за преградой выражается зависимостью

Рис. 20.1. Ослабление ионизирующего излучения толщей материала.

,                                               (20.2)

где Д₀ – доза излучения при отсутствии защиты;

    Д – доза излучения при наличии защиты;

    h – толщина слоя материала;

    d _пол – слой половинного ослабления.

Толщина слоя половинного ослабления: свинец – 2 см; сталь – 3 см; бетон – 10 см; грунт – 14 см; дерево – 30 см.

Степень ослабления проникающей радиации (гамма-излучения, нейтронов) защитной преградой характеризуется коэффициентом ослабления дозы (К), вычисляемым по формуле:

.                                        (20.3)

При наличии сложной защиты, состоящей из нескольких различных материалов, общий коэффициент ослабления дозы ионизирующего излучения (К_осл) равен произведению коэффициентов ослабления каждым из материалов

К_осл = К₁ · К₂ · …· К _n.                                       (20.4)

Для расчетов толщины защиты от ионизирующего излучения значение Д принимается равным предельно допустимой дозе, а Д₀ задается или вычисляется в зависимости от конкретных условий.

Защита по мощности Z _тφ – снижение мощности воздействия путем экранирования источника излучения. Принцип экранирования реализуется в использовании разнообразных экранов. Конструктивно экраны выполняются в виде стационарных и перемещаемых изделий. Они изготавливаются из тяжелых металлов, таких как вольфрам, свинец.

Защита расстоянием Z _тρ – увеличение расстояния между оператором и источником излучения на величину пробега в среде ионизирующих частиц: дистанционное управление; использование манипуляторов, захватов, щипцов; применение роботов; полная автоматизация технологического процесса.

Защита по времени Z _тτ – сокращение продолжительности работы в поле излучения. В соответствии с нормами и видом возможного излучения устанавливается время пребывания персонала в поле действия ионизирующего излучения. При этом работник, получивший за любой промежуток времени дозу, превышающую предельно допустимую, обязан покинуть опасную зону.

Если возможность полной защиты человека с помощью технических средств исчерпана, то используются средства индивидуальной защиты Z _сиз. Выбор материала для средств индивидуальной защиты обусловлен видом излучения. К средствам индивидуальной защиты относятся халаты, тапочки, хлопчатобумажные комбинезоны, спецбелье, пленочные хлорвиниловые фартуки и нарукавники или пленочные халаты, тапочки и ботинки. Для защиты глаз от мягкого бета-излучения используют очки из обычного стекла, от жесткого бета-излучения – силикатный плексиглас толщиной 2,2 – 2,5 мм, от гамма-излучений – свинцовые стекла и стекла с фосфатом вольфрама, от нейтронов – стекла с боросиликатом кадмия или фтористыми соединениями. К средствам индивидуальной защиты можно отнести противорадиационный костюм с включением свинца. Лучшим поглотителем гамма-лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита. Для защиты от загрязнения рук работающим выдаются перчатки (резиновые или из просвинцованной резины), а для защиты от радиоактивной пыли – респираторы и противогазы. На время ликвидации аварий, ремонтных работ применяют изолирующие пневмокостюмы или костюмы с автономным питанием. В качестве спецобуви применяются ботинки из искусственной кожи или лавсановой ткани, формованные сапоги из специальной резины. Все средства индивидуальной защиты должны легко очищаться от радиоактивных веществ и быть стойкими к воздействию кислот.

Защита организационно-техническими методами Z _от включает: системы блокировки и сигнализации, контроль, знаки безопасности.

Необходим постоянный контроль за уровнем излучения и за дозами облучения персонала. Для измерения дозы облучения за время работы персоналу выдается личный дозиметр типа ДКП-50-А; он позволяет измерять дозы облучения от 0,1 до 5 мЗв при мощности дозы излучения от 0,05 до 20 мЗв/ч. Защита от внутреннего облучения заключается в устранении непосредственного контакта работающих с радиоактивными веществами и предотвращение попадания их в воздух рабочей зоны. Кроме того, существует контроль за наличием, расходованием и хранением радиоактивных материалов.

При работе с радиоактивными источниками используются знаки безопасности:

- запрещающие – «Запрещается принимать пищу», «Проход запрещен»;

- предупреждающие – «Опасно. Радиоактивные вещества или ионизирующее излучение»;

- предписывающие – «Работать в средствах защиты органов дыхания», «Работать в защитной одежде», «Работать в защитной обуви» и т.д.

Защита организационными методами Z _ор – это обучение персонала безопасным методам обращения с радиоактивными веществами. К работе с радиоактивными веществами допускаются люди, прошедшие специальное обучение и инструктаж.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Виды ионизирующих излучений и их основные физические характеристики.

2. Основные единицы измерения ионизирующих излучений.

3. Что такое экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы излучения?

4. Охарактеризуйте биологическое действие ионизирующих излучений на организм человека.

5. Каковы способы защиты от ионизирующих излучений?

6. Каковы средства индивидуальной защиты от ионизирующих излучений?

7. Из каких материалов изготавливаются экраны для защиты от ионизирующих излучений?