stringtranslate.com

Ионизирующее излучение

Ионизирующее излучение (в США и в Великобритании — ионизирующее излучение ), включая ядерное излучение , состоит из субатомных частиц или электромагнитных волн , которые обладают достаточной энергией для ионизации атомов или молекул путем отрыва от них электронов . [1] Некоторые частицы могут перемещаться со скоростью до 99% скорости света , а электромагнитные волны находятся в высокоэнергетической части электромагнитного спектра .

Гамма-лучи , рентгеновские лучи и ультрафиолетовая часть электромагнитного спектра с более высокой энергией являются ионизирующим излучением, тогда как ультрафиолет с более низкой энергией , видимый свет , почти все типы лазерного света, инфракрасное излучение , микроволны и радиоволны являются неионизирующим излучением . Граница между ионизирующим и неионизирующим излучением в ультрафиолетовой области не может быть четко определена, поскольку различные молекулы и атомы ионизируются при разных энергиях . Энергия ионизирующего излучения начинается между 10  электронвольтами (эВ) и 33 эВ. [ требуется ссылка ]

Ионизирующие субатомные частицы включают альфа-частицы , бета-частицы и нейтроны . Эти частицы создаются радиоактивным распадом , и почти все они достаточно энергичны, чтобы ионизироваться. Существуют также вторичные космические частицы, образующиеся после взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли, включая мюоны , мезоны и позитроны . [2] [3] Космические лучи также могут производить радиоизотопы на Земле (например, углерод-14 ), которые, в свою очередь, распадаются и испускают ионизирующее излучение. Космические лучи и распад радиоактивных изотопов являются основными источниками естественного ионизирующего излучения на Земле, внося вклад в фоновое излучение . Ионизирующее излучение также создается искусственно рентгеновскими трубками , ускорителями частиц и ядерным делением .

Ионизирующее излучение не сразу обнаруживается человеческими чувствами, поэтому для его обнаружения и измерения используются такие приборы, как счетчики Гейгера . Однако частицы с очень высокой энергией могут производить видимые эффекты как на органические , так и на неорганические вещества (например, подсветка воды в черенковском излучении ) или на людей (например, острый лучевой синдром ). [4]

Ионизирующее излучение используется в самых разных областях, таких как медицина , ядерная энергетика , исследования и промышленное производство, но представляет опасность для здоровья, если не принять надлежащих мер против чрезмерного воздействия. Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток живых тканей и органов . В высоких острых дозах оно приводит к лучевым ожогам и лучевой болезни , а более низкие дозы в течение длительного времени могут вызвать рак . [5] [6] Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) выпускает руководство по защите от ионизирующего излучения и влиянию полученной дозы на здоровье человека.

Прямое ионизирующее излучение

Альфа ( α ) излучение состоит из быстро движущегося гелия-4 (4Он) ядро ​​и останавливается листом бумаги. Бета ( β ) излучение, состоящее из электронов , останавливается алюминиевой пластиной. Гамма ( γ ) излучение, состоящее из энергичных фотонов , в конечном итоге поглощается при проникновении в плотный материал. Нейтронное ( n ) излучение состоит из свободных нейтронов, которые блокируются легкими элементами, такими как водород, которые замедляют и/или захватывают их. Не показано: галактические космические лучи , которые состоят из энергичных заряженных ядер, таких как протоны , ядра гелия и высокозаряженные ядра, называемые ионами HZE .
Камеры Вильсона используются для визуализации ионизирующего излучения. На этом изображении показаны следы частиц, которые ионизируют насыщенный воздух и оставляют след из водяного пара.

Ионизирующее излучение можно разделить на прямо и косвенно ионизирующее.

Любая заряженная частица с массой может ионизировать атомы напрямую фундаментальным взаимодействием через кулоновскую силу , если она несет достаточную кинетическую энергию. Такие частицы включают атомные ядра , электроны , мюоны , заряженные пионы , протоны и энергичные заряженные ядра, лишенные своих электронов. При движении с релятивистскими скоростями (близкими к скорости света , c) эти частицы имеют достаточно кинетической энергии, чтобы быть ионизированными, но существует значительное изменение скорости. Например, типичная альфа-частица движется со скоростью около 5% от c, но электрон с 33 эВ (достаточно для ионизации) движется со скоростью около 1% от c.

Двумя первыми типами непосредственно ионизирующего излучения, которые были обнаружены, являются альфа-частицы , представляющие собой ядра гелия, выбрасываемые из ядра атома в процессе радиоактивного распада, и энергичные электроны, которые называются бета-частицами .

Естественные космические лучи состоят в основном из релятивистских протонов, но также включают более тяжелые атомные ядра, такие как ионы гелия и ионы HZE . В атмосфере такие частицы часто останавливаются молекулами воздуха, и это производит короткоживущие заряженные пионы, которые вскоре распадаются на мюоны, основной тип излучения космических лучей, достигающий поверхности Земли. Пионы также могут производиться в больших количествах в ускорителях частиц .

Альфа-частицы

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия . Выбросы альфа-частиц обычно производятся в процессе альфа-распада .

Альфа-частицы являются сильно ионизирующей формой излучения, но при испускании радиоактивным распадом они обладают низкой проникающей способностью и могут поглощаться несколькими сантиметрами воздуха или верхним слоем кожи человека. Более мощные альфа-частицы от тройного деления в три раза энергичнее и проникают пропорционально дальше в воздухе. Ядра гелия, которые образуют 10–12% космических лучей, также обычно имеют гораздо более высокую энергию, чем те, которые производятся радиоактивным распадом, и создают проблемы экранирования в космосе. Однако этот тип излучения значительно поглощается атмосферой Земли, которая является радиационным щитом, эквивалентным примерно 10 метрам воды. [7]

Альфа-частица была названа Эрнестом Резерфордом в честь первой буквы греческого алфавита , α , когда он ранжировал известные радиоактивные выбросы в порядке убывания ионизирующего эффекта в 1899 году. Символ - α или α 2+ . Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда записывают как He2+
или4
2Он2+
указывает на ион гелия с зарядом +2 (отсутствуют два его электрона). Если ион получает электроны из своего окружения, альфа-частицу можно записать как обычный (электрически нейтральный) атом гелия4
2Он .

Бета-частицы

Бета-частицы — это высокоэнергетические, высокоскоростные электроны или позитроны, испускаемые некоторыми типами радиоактивных ядер , такими как калий-40 . Образование бета-частиц называется бета-распадом . Они обозначаются греческой буквой бета (β). Существует две формы бета-распада, β − и β + , которые соответственно приводят к появлению электрона и позитрона. [8] Бета-частицы гораздо менее проникающие, чем гамма-излучение, но более проникающие, чем альфа-частицы.

Высокоэнергетические бета-частицы могут производить рентгеновские лучи, известные как тормозное излучение («тормозное излучение»), или вторичные электроны ( дельта-лучи ) при прохождении через вещество. Оба эти фактора могут вызывать косвенный эффект ионизации. Тормозное излучение вызывает беспокойство при экранировании бета-излучателей, поскольку взаимодействие бета-частиц с некоторыми экранирующими материалами производит тормозное излучение. Эффект сильнее для материалов с высокими атомными числами, поэтому для экранирования бета-источников используются материалы с низкими атомными числами.

Позитроны и другие виды антиматерии

Позитрон или антиэлектрон — это античастица или антиматериальный аналог электрона . Когда низкоэнергетический позитрон сталкивается с низкоэнергетическим электроном, происходит аннигиляция , приводящая к их преобразованию в энергию двух или более гамма- фотонов (см. электронно-позитронная аннигиляция ). Поскольку позитроны являются положительно заряженными частицами, они могут напрямую ионизировать атом посредством кулоновских взаимодействий.

Позитроны могут генерироваться путем ядерного распада с эмиссией позитронов (через слабые взаимодействия ) или путем образования пар из достаточно энергичного фотона . Позитроны являются распространенными искусственными источниками ионизирующего излучения, используемыми в медицинском сканировании позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Заряженные ядра

Заряженные ядра характерны для галактических космических лучей и событий солнечных частиц и, за исключением альфа-частиц (заряженных ядер гелия), не имеют естественных источников на Земле. Однако в космосе очень высокоэнергетические протоны, ядра гелия и ионы HZE могут быть первоначально остановлены относительно тонкими слоями экранирования, одежды или кожи. Однако результирующее взаимодействие будет генерировать вторичное излучение и вызывать каскадные биологические эффекты. Если, например, только один атом ткани смещен энергичным протоном, столкновение вызовет дальнейшие взаимодействия в организме. Это называется « линейной передачей энергии » (LET), которая использует упругое рассеяние .

LET можно визуализировать как бильярдный шар, ударяющий другой в порядке сохранения импульса , отправляя оба с энергией первого шара, разделенной между ними неравномерно. Когда заряженное ядро ​​ударяет относительно медленно движущееся ядро ​​объекта в космосе, происходит LET, и нейтроны, альфа-частицы, низкоэнергетические протоны и другие ядра будут высвобождаться в результате столкновений и вносить вклад в общую поглощенную дозу ткани. [9]

Косвенно ионизирующее излучение

Косвенно ионизирующее излучение электрически нейтрально и не взаимодействует сильно с веществом, поэтому основная часть эффектов ионизации обусловлена ​​вторичной ионизацией.

Фотонное излучение

Различные типы электромагнитного излучения
Полный коэффициент поглощения свинца (атомный номер 82) для гамма-лучей, построенный в зависимости от энергии гамма-излучения, и вклады трех эффектов. Фотоэлектрический эффект доминирует при низкой энергии, но выше 5 МэВ начинает доминировать рождение пар.

Несмотря на то, что фотоны электрически нейтральны, они могут ионизировать атомы косвенно через фотоэлектрический эффект и эффект Комптона . Любое из этих взаимодействий вызовет выброс электрона из атома на релятивистских скоростях, превращая этот электрон в бета-частицу (вторичную бета-частицу), которая ионизует другие атомы. Поскольку большинство ионизированных атомов обусловлено вторичными бета- частицами, фотоны являются косвенно ионизирующим излучением. [10]

Излученные фотоны называются гамма-лучами , если они производятся ядерной реакцией , распадом субатомной частицы или радиоактивным распадом внутри ядра. Они называются рентгеновскими лучами , если производятся вне ядра. Для описания обоих используется общий термин «фотон». [11] [12] [13]

Рентгеновские лучи обычно имеют более низкую энергию, чем гамма-лучи, и более старая конвенция определяла границу как длину волны 10 −11 м (или энергию фотона 100 кэВ). [14] Этот порог был обусловлен историческими ограничениями старых рентгеновских трубок и низкой осведомленностью об изомерных переходах . Современные технологии и открытия показали перекрытие между рентгеновскими и гамма-энергиями. Во многих областях они функционально идентичны, отличаясь для земных исследований только происхождением излучения. Однако в астрономии, где происхождение излучения часто не может быть надежно определено, старое разделение энергий сохранилось, при этом рентгеновские лучи определяются как находящиеся между примерно 120 эВ и 120 кэВ, а гамма-лучи — как имеющие любую энергию выше 100–120 кэВ, независимо от источника. Известно, что большая часть астрономической « гамма-астрономии » не возникает в результате ядерных радиоактивных процессов, а, скорее, является результатом процессов, подобных тем, которые создают астрономические рентгеновские лучи, за исключением того, что они вызываются гораздо более энергичными электронами.

Фотоэлектрическое поглощение является доминирующим механизмом в органических материалах для энергий фотонов ниже 100 кэВ, типичных для классических рентгеновских лучей , созданных рентгеновской трубкой . При энергиях свыше 100 кэВ фотоны ионизируют вещество все больше через эффект Комптона , а затем косвенно через образование пар при энергиях свыше 5 МэВ. Сопроводительная диаграмма взаимодействия показывает два комптоновских рассеяния, происходящих последовательно. В каждом акте рассеяния гамма-луч передает энергию электрону, и он продолжает свой путь в другом направлении и с уменьшенной энергией.

Граница определения для фотонов с более низкой энергией

Самая низкая энергия ионизации любого элемента составляет 3,89 эВ для цезия . Однако материал Федеральной комиссии по связи США определяет ионизирующее излучение как излучение с энергией фотона более 10 эВ (эквивалентно длине волны дальнего ультрафиолета 124 нанометра ). [15] Грубо говоря, это соответствует как первой энергии ионизации кислорода, так и энергии ионизации водорода, обе около 14 эВ. [16] В некоторых справочниках Агентства по охране окружающей среды ионизация типичной молекулы воды при энергии 33 эВ упоминается [17] как соответствующий биологический порог для ионизирующего излучения: это значение представляет собой так называемое значение W , разговорное название ICRU для средней энергии, затрачиваемой в газе на образованную ионную пару , [18] которая объединяет энергию ионизации плюс энергию, потерянную в других процессах, таких как возбуждение . [19] При длине волны 38 нанометров для электромагнитного излучения , 33 эВ близки к энергии при обычной длине волны 10 нм перехода между экстремальным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, который происходит примерно при 125 эВ. Таким образом, рентгеновское излучение всегда ионизирующее, но только экстремальное ультрафиолетовое излучение можно считать ионизирующим согласно всем определениям.

Взаимодействие излучения: гамма-лучи представлены волнистыми линиями, заряженные частицы и нейтроны — прямыми линиями. Маленькие кружки показывают, где происходит ионизация.

Нейтроны

Нейтроны имеют нейтральный электрический заряд, часто неправильно понимаемый как нулевой электрический заряд, и поэтому часто не вызывают ионизацию напрямую за один шаг или взаимодействие с веществом. Однако быстрые нейтроны будут взаимодействовать с протонами в водороде посредством линейной передачи энергии , энергии, которую частица передает материалу, через который она движется. Этот механизм рассеивает ядра материалов в целевой области, вызывая прямую ионизацию атомов водорода. Когда нейтроны ударяются о ядра водорода, возникает протонное излучение (быстрые протоны). Эти протоны сами по себе ионизируют, поскольку они имеют высокую энергию, заряжены и взаимодействуют с электронами в веществе.

Нейтроны, которые ударяют другие ядра, кроме водорода, передадут меньше энергии другой частице, если линейная передача энергии действительно происходит. Но для многих ядер, ударенных нейтронами, происходит неупругое рассеяние . То, произойдет ли упругое или неупругое рассеяние, зависит от скорости нейтрона, будь то быстрая или тепловая или где-то посередине. Это также зависит от ядер, которые он ударяет, и его нейтронного сечения .

При неупругом рассеянии нейтроны легко поглощаются в ядерной реакции, называемой захватом нейтронов , и приписываются нейтронной активации ядра. Взаимодействие нейтронов с большинством типов материи таким образом обычно приводит к образованию радиоактивных ядер. Например, распространенное ядро ​​кислорода-16 подвергается нейтронной активации, быстро распадается с испусканием протона, образуя азот-16 , который распадается на кислород-16. Короткоживущий распад азота-16 испускает мощный бета-луч. Этот процесс можно записать как:

16 O (n,p) 16 N (возможен быстрый захват нейтронов с энергией нейтронов >11 МэВ)

16 N → 16 O + β − (Распад t 1/2 = 7,13 с)

Этот высокоэнергетический β− далее быстро взаимодействует с другими ядрами, испуская высокоэнергетический γ посредством тормозного излучения.

Хотя реакция 16 O (n,p) 16 N и не является благоприятной, она является основным источником рентгеновского излучения, испускаемого охлаждающей водой реактора с водой под давлением , и вносит огромный вклад в излучение, генерируемое ядерным реактором с водяным охлаждением во время работы.

Для лучшей защиты от нейтронов используют углеводороды, содержащие большое количество водорода .

В делящихся материалах вторичные нейтроны могут вызывать цепные ядерные реакции , вызывая большую степень ионизации дочерних продуктов деления.

Вне ядра свободные нейтроны нестабильны и имеют среднюю продолжительность жизни 14 минут, 42 секунды. Свободные нейтроны распадаются путем испускания электрона и электронного антинейтрино, чтобы стать протоном, процесс, известный как бета-распад : [20]

На соседней диаграмме нейтрон сталкивается с протоном материала мишени, а затем становится быстрым протоном отдачи, который в свою очередь ионизируется. В конце своего пути нейтрон захватывается ядром в (n,γ)-реакции, которая приводит к испусканию фотона захвата нейтрона . Такие фотоны всегда имеют достаточно энергии, чтобы квалифицироваться как ионизирующее излучение.

Физические эффекты

Ионизированный воздух светится синим цветом вокруг пучка ионизирующего излучения из циклотрона.

Ядерные эффекты

Нейтронное излучение, альфа-излучение и чрезвычайно энергичное гамма-излучение (> ~20 МэВ) могут вызывать ядерную трансмутацию и индуцированную радиоактивность . Соответствующими механизмами являются активация нейтронов , поглощение альфа-частиц и фотораспад . Достаточно большое количество трансмутаций может изменить макроскопические свойства и привести к тому, что цели сами станут радиоактивными, даже после удаления исходного источника.

Химические эффекты

Ионизация молекул может привести к радиолизу (разрыву химических связей) и образованию высокореактивных свободных радикалов . Эти свободные радикалы могут затем вступать в химическую реакцию с соседними материалами даже после прекращения исходного излучения. (например, озоновое растрескивание полимеров озоном, образованным при ионизации воздуха). Ионизирующее излучение также может ускорить существующие химические реакции, такие как полимеризация и коррозия, внося вклад в энергию активации, необходимую для реакции. Оптические материалы разрушаются под воздействием ионизирующего излучения.

Высокоинтенсивное ионизирующее излучение в воздухе может вызывать видимое свечение ионизированного воздуха характерного сине-фиолетового цвета. Свечение можно наблюдать, например, во время аварий с критичностью , вокруг грибовидных облаков вскоре после ядерного взрыва или внутри поврежденного ядерного реактора, как во время Чернобыльской катастрофы .

Одноатомные жидкости, например, расплавленный натрий , не имеют химических связей, которые можно разорвать, и кристаллической решетки, которую можно нарушить, поэтому они невосприимчивы к химическому воздействию ионизирующего излучения. Простые двухатомные соединения с очень отрицательной энтальпией образования , такие как фтористый водород, будут быстро и спонтанно восстанавливаться после ионизации.

Электрические эффекты

Ионизация материалов временно увеличивает их проводимость, что потенциально допускает разрушительные уровни тока. Это представляет особую опасность в полупроводниковой микроэлектронике, используемой в электронном оборудовании, поскольку последующие токи вызывают ошибки в работе или даже навсегда повреждают устройства. Устройства, предназначенные для сред с высоким уровнем радиации, таких как ядерная промышленность и внеатмосферные (космические) применения, могут быть сделаны радиационно-стойкими к таким эффектам посредством конструкции, выбора материалов и методов изготовления.

Протонное излучение, обнаруженное в космосе, также может вызывать единичные сбои в цифровых схемах. Электрические эффекты ионизирующего излучения используются в газонаполненных детекторах излучения, например, счетчике Гейгера-Мюллера или ионной камере .

Влияние на здоровье

Большинство неблагоприятных последствий для здоровья от воздействия ионизирующего излучения можно разделить на две основные категории:

Наиболее распространенным воздействием является стохастическая индукция рака с латентным периодом в годы или десятилетия после воздействия. Например, ионизирующее излучение является одной из причин хронического миелоидного лейкоза , [22] [23] [24] хотя большинство людей с ХМЛ не подвергались воздействию радиации. [23] [24] Механизм, посредством которого это происходит, хорошо изучен, но количественные модели, предсказывающие уровень риска, остаются спорными. [ необходима цитата ]

Наиболее широко принятая модель, линейная беспороговая модель (LNT), утверждает, что заболеваемость раком из-за ионизирующего излучения увеличивается линейно с эффективной дозой облучения со скоростью 5,5% на зиверт . [25] Если это верно, то естественное фоновое излучение является наиболее опасным источником радиации для здоровья населения в целом, за которым следует медицинская визуализация в качестве второго по величине источника. Другими стохастическими эффектами ионизирующего излучения являются тератогенез , снижение когнитивных способностей и болезни сердца . [ требуется ссылка ]

Хотя ДНК всегда восприимчива к повреждению ионизирующим излучением, молекула ДНК также может быть повреждена излучением с достаточной энергией, чтобы возбудить определенные молекулярные связи с образованием пиримидиновых димеров . Эта энергия может быть меньше ионизирующей, но близкой к ней. Хорошим примером является энергия ультрафиолетового спектра, которая начинается примерно с 3,1 эВ (400 нм) на близком к тому же энергетическом уровне, который может вызвать солнечный ожог незащищенной кожи в результате фотореакций в коллагене и (в диапазоне УФ-В ) также повреждения в ДНК (например, пиримидиновых димерах). Таким образом, средний и нижний ультрафиолетовый электромагнитный спектр повреждает биологические ткани в результате электронного возбуждения в молекулах, которое не достигает ионизации, но производит аналогичные нетепловые эффекты. В некоторой степени, как было доказано, видимый свет, а также ультрафиолет А (UVA), который наиболее близок к видимым энергиям, приводят к образованию активных форм кислорода в коже, которые вызывают косвенные повреждения, поскольку это электронно-возбужденные молекулы, которые могут вызывать реактивные повреждения, хотя они и не вызывают солнечных ожогов (эритемы). [26] Подобно повреждению ионизацией, все эти эффекты в коже выходят за рамки тех, которые производятся простыми термическими эффектами. [ необходима цитата ]

Измерение радиации

В таблице ниже приведены величины излучения и дозы в единицах СИ и вне системы СИ.

Связь между радиоактивностью и обнаруженным ионизирующим излучением. Ключевые факторы: сила радиоактивного источника, эффекты передачи и чувствительность прибора

Использование радиации

Ионизирующее излучение имеет множество промышленных, военных и медицинских применений. Его полезность должна быть сбалансирована с его опасностями, компромисс, который с течением времени изменился. Например, одно время продавцы в обувных магазинах в США использовали рентгеновские лучи для проверки размера обуви ребенка , но эта практика была прекращена, когда риски ионизирующего излучения стали более понятны. [27]

Нейтронное излучение необходимо для работы ядерных реакторов и ядерного оружия . Проникающая способность рентгеновского, гамма-, бета- и позитронного излучения используется для медицинской визуализации , неразрушающего контроля и различных промышленных датчиков. Радиоактивные индикаторы используются в медицинских и промышленных приложениях, а также в биологической и радиационной химии . Альфа-излучение используется в нейтрализаторах статического электричества и детекторах дыма . Стерилизующее действие ионизирующего излучения полезно для очистки медицинских инструментов, облучения пищевых продуктов и техники стерильных насекомых . Измерения углерода-14 можно использовать для датирования останков давно умерших организмов (например, древесины, возраст которой составляет тысячи лет).

Источники радиации

Ионизирующее излучение генерируется посредством ядерных реакций, ядерного распада, очень высокой температуры или посредством ускорения заряженных частиц в электромагнитных полях. Естественные источники включают солнце, молнии и взрывы сверхновых. Искусственные источники включают ядерные реакторы, ускорители частиц и рентгеновские трубки .

Научный комитет ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН) перечислил типы воздействия на человека.

Международная комиссия по радиологической защите управляет Международной системой радиологической защиты, которая устанавливает рекомендуемые пределы получаемой дозы.

Фоновое излучение

Фоновое излучение возникает как из естественных, так и из искусственных источников.

Среднее глобальное воздействие ионизирующего излучения на человека составляет около 3 мЗв (0,3 бэр) в год, 80% которого поступает из природы. Остальные 20% являются результатом воздействия антропогенных источников радиации, в основном из-за медицинской визуализации . Среднее антропогенное воздействие намного выше в развитых странах, в основном из-за КТ и ядерной медицины .

Естественный радиационный фон формируется пятью основными источниками: космическим излучением, солнечным излучением, внешними земными источниками, излучением в организме человека и радоном .

Фоновый уровень естественной радиации значительно варьируется в зависимости от местоположения, составляя всего 1,5 мЗв/год (1,5 мЗв в год) в некоторых районах и более 100 мЗв/год в других. Самый высокий уровень чисто естественной радиации, зарегистрированный на поверхности Земли, составляет 90 мкГр/ч (0,8 Гр/год) на бразильском черном пляже, состоящем из монацита . [28] Самый высокий фон радиации в населенном пункте обнаружен в Рамсаре , в первую очередь из-за естественно радиоактивного известняка, используемого в качестве строительного материала. Около 2000 наиболее облученных жителей получают среднюю дозу радиации 10  мГр в год (1  рад /год), что в десять раз больше рекомендуемого МКРЗ предела для облучения населения от искусственных источников. [29] Рекордные уровни были обнаружены в доме, где эффективная доза облучения из-за внешнего облучения составляла 135 мЗв/год (13,5 бэр/год), а ожидаемая доза от радона составляла 640 мЗв/год (64,0 бэр/год). [30] Этот уникальный случай более чем в 200 раз превышает средний мировой фоновой радиации. Несмотря на высокие уровни фоновой радиации, которые получают жители Рамсара, нет убедительных доказательств того, что они подвергаются большему риску для здоровья. Рекомендации МКРЗ являются консервативными пределами и могут представлять собой переоценку фактического риска для здоровья. Обычно организации по радиационной безопасности рекомендуют самые консервативные пределы, предполагая, что лучше всего ошибаться в сторону осторожности. Этот уровень осторожности уместен, но не должен использоваться для создания страха по поводу опасности фоновой радиации. Радиационная опасность от фоновой радиации может представлять серьезную угрозу, но, скорее всего, представляет собой небольшой общий риск по сравнению со всеми другими факторами в окружающей среде.

Космическое излучение

Земля и все живые существа на ней постоянно бомбардируются радиацией из-за пределов нашей солнечной системы. Это космическое излучение состоит из релятивистских частиц: положительно заряженных ядер (ионов) от 1 а.е.м. протонов (около 85%) до 26 а.е.м. ядер железа и даже больше. (Частицы с высоким атомным числом называются ионами HZE .) Энергия этого излучения может намного превосходить ту, которую могут создать люди, даже в самых больших ускорителях частиц (см. сверхвысокоэнергетические космические лучи ). Это излучение взаимодействует в атмосфере, создавая вторичное излучение, которое проливается дождем, включая рентгеновские лучи , мюоны , протоны , антипротоны , альфа-частицы , пионы , электроны , позитроны и нейтроны .

Доза от космической радиации в основном формируется мюонами, нейтронами и электронами, причем мощность дозы варьируется в разных частях мира и в значительной степени зависит от геомагнитного поля, высоты и солнечного цикла. Мощность дозы космической радиации на самолетах настолько высока, что, согласно отчету НКДАР ООН 2000 (см. ссылки внизу), летные экипажи авиакомпаний получают в среднем большую дозу, чем любой другой работник, включая тех, кто работает на атомных электростанциях. Экипажи авиакомпаний получают больше космических лучей, если они регулярно работают по маршрутам, которые проходят близко к Северному или Южному полюсу на больших высотах, где этот тип радиации максимален.

Космические лучи также включают в себя гамма-лучи высокой энергии, которые значительно превосходят энергию, производимую солнечными или антропогенными источниками.

Внешние наземные источники

Большинство материалов на Земле содержат некоторые радиоактивные атомы , пусть даже в небольших количествах. Большая часть дозы, полученной от этих источников, исходит от гамма-излучателей в строительных материалах или камнях и почве, когда они находятся снаружи. Основными радионуклидами, вызывающими беспокойство в связи с земной радиацией, являются изотопы калия , урана и тория . Каждый из этих источников снижал свою активность с момента образования Земли.

Внутренние источники радиации

Все земные материалы, которые являются строительными блоками жизни, содержат радиоактивный компонент. Поскольку люди, растения и животные потребляют пищу, воздух и воду, в организме накапливается запас радиоизотопов (см. эквивалентную дозу банана ). Некоторые радионуклиды, такие как калий-40 , испускают высокоэнергетическое гамма-излучение, которое можно измерить с помощью чувствительных электронных систем измерения радиации. Эти внутренние источники радиации вносят вклад в общую дозу облучения человека от естественного фонового излучения .

радон

Важным источником естественной радиации является газ радон , который постоянно просачивается из горных пород, но из-за своей высокой плотности может накапливаться в плохо проветриваемых домах.

Радон-222 — это газ, который образуется при α-распаде радия -226. Оба являются частью естественной цепочки распада урана . Уран содержится в почве по всему миру в различных концентрациях. Радон является основной причиной рака легких среди некурящих и второй по значимости причиной в целом. [31]

Радиационное облучение

Уровень радиации в различных ситуациях, от нормальной деятельности до аварии на Чернобыльской АЭС. Каждый шаг вверх по шкале означает десятикратное увеличение уровня радиации.
Различные дозы радиации в зивертах, от незначительных до смертельных.
Визуальное сравнение радиационного воздействия в результате повседневной деятельности.

Существует три стандартных способа ограничения воздействия:

  1. Время : Для людей, подвергающихся воздействию радиации в дополнение к естественному фоновому излучению, ограничение или минимизация времени воздействия позволит снизить дозу от источника радиации.
  2. Расстояние : Интенсивность излучения резко уменьшается с расстоянием по закону обратных квадратов (в абсолютном вакууме). [32]
  3. Экранирование : Воздух или кожа могут быть достаточными для существенного ослабления альфа-излучения, в то время как листовой металл или пластик часто достаточны для остановки бета-излучения. Барьеры из свинца , бетона или воды часто используются для эффективной защиты от более проникающих форм ионизирующего излучения, таких как гамма-лучи и нейтроны . Некоторые радиоактивные материалы хранятся или обрабатываются под водой или с помощью дистанционного управления в помещениях, построенных из толстого бетона или облицованных свинцом. Существуют специальные пластиковые экраны, которые останавливают бета-частицы, а воздух остановит большинство альфа-частиц. Эффективность материала в экранировании излучения определяется его толщиной половинного значения , толщиной материала, которая уменьшает излучение вдвое. Это значение является функцией самого материала и типа и энергии ионизирующего излучения. Некоторые общепринятые толщины ослабляющего материала составляют 5 мм алюминия для большинства бета-частиц и 3 дюйма свинца для гамма-излучения.

Все они могут применяться к естественным и искусственным источникам. Для искусственных источников использование сдерживания является основным инструментом снижения дозы и фактически представляет собой комбинацию экранирования и изоляции от открытой среды. Радиоактивные материалы ограничиваются в минимально возможном пространстве и удерживаются вне окружающей среды, например, в горячей камере (для радиации) или перчаточном боксе (для загрязнения). Радиоактивные изотопы для медицинского использования, например, распределяются в закрытых помещениях для обработки, обычно перчаточных боксах, в то время как ядерные реакторы работают в закрытых системах с несколькими барьерами, которые удерживают радиоактивные материалы. Рабочие помещения, горячие камеры и перчаточные боксы имеют слегка пониженное давление воздуха для предотвращения утечки материала в открытую среду.

В ядерных конфликтах или гражданских ядерных выбросах меры гражданской обороны могут помочь снизить воздействие на население за счет снижения потребления изотопов и профессионального воздействия. Одним из них является проблема таблеток йодида калия (KI), который блокирует поглощение радиоактивного йода (одного из основных радиоизотопных продуктов ядерного деления ) в щитовидную железу человека .

Профессиональное воздействие

Профессионально облученные лица контролируются в рамках нормативной базы страны, в которой они работают, и в соответствии с любыми местными ограничениями ядерной лицензии. Они обычно основаны на рекомендациях Международной комиссии по радиологической защите . МКРЗ рекомендует ограничить искусственное облучение. Для профессионального облучения предел составляет 50 мЗв в течение одного года с максимумом 100 мЗв в течение последовательного пятилетнего периода. [25]

Воздействие радиации на этих лиц тщательно контролируется с использованием дозиметров и других приборов радиационной защиты, которые измеряют концентрацию радиоактивных частиц, показания дозы гамма-излучения на местности и радиоактивное загрязнение . Ведется юридическая запись дозы.

Примеры видов деятельности, где профессиональное воздействие вызывает опасения, включают:

Некоторые искусственные источники радиации воздействуют на организм посредством прямого облучения, известного как эффективная доза (излучение) , в то время как другие принимают форму радиоактивного загрязнения и облучают организм изнутри. Последнее известно как ожидаемая доза .

Публичное воздействие

Медицинские процедуры, такие как диагностические рентгеновские лучи , ядерная медицина и лучевая терапия, безусловно, являются наиболее значительным источником антропогенного радиационного воздействия на население. Некоторые из основных используемых радионуклидов : I-131 , Tc-99m , Co-60 , Ir-192 и Cs-137 . Население также подвергается воздействию радиации от потребительских товаров, таких как табак ( полоний -210), горючее топливо (газ, уголь и т. д.), телевизоры , светящиеся часы и циферблаты ( тритий ), рентгеновские системы в аэропортах, детекторы дыма ( америций ), электронные трубки и калильные сетки газовых фонарей ( торий ).

В меньшей степени население подвергается воздействию радиации от ядерного топливного цикла, который включает в себя всю последовательность от переработки урана до утилизации отработанного топлива. Эффекты такого воздействия не были надежно измерены из-за чрезвычайно низких доз. Противники используют модель рака на дозу, чтобы утверждать, что такая деятельность вызывает несколько сотен случаев рака в год, применение широко принятой линейной беспороговой модели (LNT).

Международная комиссия по радиологической защите рекомендует ограничить искусственное облучение населения в среднем 1 мЗв (0,001 Зв) эффективной дозы в год, не включая медицинское и профессиональное облучение. [25]

В ядерной войне источниками радиационного облучения будут гамма-лучи как от первоначального взрыва оружия, так и от радиоактивных осадков .

Космический полет

Массивные частицы представляют собой проблему для астронавтов за пределами магнитного поля Земли , которые будут получать солнечные частицы от солнечных протонных событий (SPE) и галактических космических лучей от космических источников. Эти высокоэнергетические заряженные ядра блокируются магнитным полем Земли, но представляют серьезную проблему для здоровья астронавтов, путешествующих на Луну и в любое отдаленное место за пределами орбиты Земли. Высоко заряженные ионы HZE, в частности, известны своей чрезвычайной разрушительностью, хотя протоны составляют подавляющее большинство галактических космических лучей. Данные указывают на прошлые уровни излучения SPE, которые были бы смертельными для незащищенных астронавтов. [35]

Авиаперелеты

Воздушные путешествия подвергают людей на борту самолета повышенному излучению из космоса по сравнению с уровнем моря, включая космические лучи и солнечные вспышки. [36] [37] Такие программы, как Epcard , CARI, SIEVERT, PCAIRE, являются попытками имитировать воздействие на экипажи самолетов и пассажиров. [37] Примером измеренной дозы (не имитируемой дозы) является 6 мкЗв в час от лондонского аэропорта Хитроу до токийского аэропорта Нарита на высокоширотном полярном маршруте. [37] Однако дозы могут меняться, например, в периоды высокой солнечной активности. [37] FAA США требует, чтобы авиакомпании предоставляли экипажам самолетов информацию о космической радиации, а рекомендация Международной комиссии по радиологической защите для широкой публики составляет не более 1 мЗв в год. [37] Кроме того, многие авиакомпании не разрешают беременным членам экипажа, чтобы соответствовать Европейской директиве. [37] FAA имеет рекомендуемый предел в 1 мЗв в целом для беременности и не более 0,5 мЗв в месяц. [37] Информация изначально основана на «Основах аэрокосмической медицины», опубликованных в 2008 году. [37]

Знаки, предупреждающие о радиационной опасности

Опасные уровни ионизирующего излучения обозначаются знаком трилистника на желтом фоне. Обычно они размещаются на границе зоны радиационного контроля или в любом месте, где уровни радиации значительно превышают фоновый уровень из-за вмешательства человека.

Красный предупреждающий символ ионизирующего излучения (ISO 21482) был введен в действие в 2007 году и предназначен для источников категории 1, 2 и 3 МАГАТЭ , определенных как опасные источники, способные вызвать смерть или серьезные травмы, включая пищевые облучатели, телетерапевтические аппараты для лечения рака и промышленные рентгенографические установки. Символ должен быть размещен на устройстве, в котором находится источник, как предупреждение не разбирать устройство и не подходить к нему ближе. Он не будет виден при нормальном использовании, только если кто-то попытается разобрать устройство. Символ не будет размещен на дверях доступа в здание, транспортных упаковках или контейнерах. [38]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Ионизирующее излучение, его воздействие на здоровье и защитные меры». Всемирная организация здравоохранения . 29 апреля 2016 г. Архивировано из оригинала 29 марта 2020 г. Получено 22 января 2020 г.
  2. ^ Вудсайд, Гейл (1997). Экология, безопасность и гигиена труда. США: John Wiley & Sons. стр. 476. ISBN 978-0471109327. Архивировано из оригинала 2015-10-19.
  3. ^ Stallcup, James G. (2006). OSHA: Упрощенные правила высоковольтной телекоммуникации Stallcup. США: Jones & Bartlett Learning. стр. 133. ISBN 978-0763743475. Архивировано из оригинала 2015-10-17.
  4. ^ "Ионизирующее излучение - воздействие на здоровье | Управление по охране труда и технике безопасности". www.osha.gov . Получено 23.06.2022 .
  5. ^ Райан, Джули (5 января 2012 г.). «Ионизирующее излучение: хорошее, плохое и ужасное». Журнал исследовательской дерматологии . 132 (3 0 2): 985–993. doi :10.1038/jid.2011.411. PMC 3779131. PMID 22217743  . 
  6. ^ Herrera Ortiz AF, Fernández Beaujon LJ, García Villamizar SY, Fonseca López FF. Магнитно-резонансная и компьютерная томография для обнаружения метастазов в забрюшинных лимфатических узлах вследствие рака яичек: систематический обзор литературы. European Journal of Radiology Open.2021;8:100372. https://doi.org/10.1016/j.ejro.2021.100372
  7. ^ Один кг воды на квадратный сантиметр равен 10 метрам воды. Архивировано 01.01.2016 на Wayback Machine.
  8. ^ "Beta Decay". Lbl.gov . 9 августа 2000 г. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Получено 10 апреля 2014 г.
  9. ^ Вклад ионов с высоким зарядом и энергией (HZE) во время солнечно-частичного события 29 сентября 1989 г. Ким, Мён Хи Й.; Уилсон, Джон У.; Кучинотта, Фрэнсис А.; Симонсен, Лиза К.; Этвелл, Уильям; Бадави, Фрэнсис Ф.; Миллер, Джек, Космический центр имени Джонсона в НАСА; Исследовательский центр Лэнгли, май 1999 г.
  10. ^ Европейский центр технологической безопасности. "Взаимодействие радиации с веществом" (PDF) . Радиационная опасность . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Получено 5 ноября 2012 года .
  11. ^ Фейнман, Ричард; Роберт Лейтон; Мэтью Сэндс (1963). Лекции Фейнмана по физике, т. 1. США: Addison-Wesley. стр. 2–5. ISBN 978-0-201-02116-5.
  12. ^ L'Annunziata, Michael; Mohammad Baradei (2003). Справочник по анализу радиоактивности. Academic Press. стр. 58. ISBN 978-0-12-436603-9. Архивировано из оригинала 2021-04-16 . Получено 2020-10-26 .
  13. ^ Grupen, Claus; G. Cowan; SD Eidelman; T. Stroh (2005). Astronarticle Physics . Springer. стр. 109. ISBN 978-3-540-25312-9.
  14. ^ Чарльз Ходжман, Ред. (1961). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 44-е изд . США: Chemical Rubber Co., стр. 2850.
  15. ^ Роберт Ф. Кливленд-младший; Джерри Л. Ульчек (август 1999 г.). «Вопросы и ответы о биологических эффектах и ​​потенциальных опасностях радиочастотных электромагнитных полей» (PDF) (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: OET (Управление по инжинирингу и технологиям) Федеральной комиссии по связи. Архивировано (PDF) из оригинала 20-10-2011 . Получено 07-12-2011 .
  16. ^ Джим Кларк (2000). "Энергия ионизации". Архивировано из оригинала 2011-11-26 . Получено 2011-12-07 .
  17. ^ "Ионизирующее и неионизирующее излучение". Радиационная защита . EPA. 2014-07-16. Архивировано из оригинала 2015-02-12 . Получено 2015-01-09 .
  18. ^ "Основные величины и единицы для ионизирующего излучения (отчет 85 МКРЕ)". Журнал МКРЕ . 11 (1). 2011. Архивировано из оригинала 20-04-2012.
  19. ^ Хао Пэн. "Газонаполненные детекторы" (PDF) . Конспект лекций по курсу MED PHYS 4R06/6R03 – Радиационная и радиоизотопная методология . Университет Макмастера, кафедра медицинской физики и радиационных наук. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-06-17.
  20. ^ W.-M. Yao; et al. (2007). "Particle Data Group Summary Data Table on Baryons" (PDF) . J. Phys. G . 33 (1). Архивировано из оригинала (PDF) 2011-09-10 . Получено 2012-08-16 .
  21. ^ МКРЗ 2007, параграф 55.
  22. ^ Huether, Sue E.; McCance, Kathryn L. (2016-01-22). Понимание патофизиологии (6-е изд.). Сент-Луис, Миссури: Elsevier. стр. 530. ISBN 9780323354097. OCLC  740632205.
  23. ^ ab "Хронический миелоидный лейкоз (ХМЛ)". Leukemia & Lymphoma Society . 2015-02-26. Архивировано из оригинала 2019-09-22 . Получено 22 сентября 2019 г.
  24. ^ ab "Хронический миелоидный лейкоз (ХМЛ) Хронический миелоидный лейкоз (ХМЛ)". Медицинская энциклопедия Medline Plus . Национальная медицинская библиотека США . Архивировано из оригинала 29 сентября 2019 г. Получено 22 сентября 2019 г.
  25. ^ abc МКРЗ 2007.
  26. ^ Liebel F, Kaur S, Ruvolo E, Kollias N, Southall MD (2012). «Облучение кожи видимым светом индуцирует активные формы кислорода и ферменты, разрушающие матрикс». J. Invest. Dermatol . 132 (7): 1901–1907. doi : 10.1038/jid.2011.476 . PMID  22318388.
  27. ^ Льюис, Леон; Каплан, Пол Э. (1 января 1950 г.). «Флюороскоп для подгонки обуви как источник радиационной опасности». California Medicine . 72 (1): 26–30 [27]. PMC 1520288 . PMID  15408494. 
  28. ^ Научный комитет ООН по действию атомной радиации (2000). «Приложение B». Источники и действие ионизирующей радиации . Том 1. Организация Объединенных Наций. стр. 121. Архивировано из оригинала 4 августа 2012 года . Получено 11 ноября 2012 года .
  29. ^ Mortazavi, SMJ; PA Karamb (2005). «Очевидное отсутствие восприимчивости к радиации среди жителей района с высоким фоновым излучением в Рамсаре, Иран: можем ли мы смягчить наши стандарты?». Радиоактивность в окружающей среде . 7 : 1141–1147. doi :10.1016/S1569-4860(04)07140-2. ISBN 9780080441375. ISSN  1569-4860.
  30. ^ Сохраби, Мехди; Бабапуран, Можган (2005). «Новая оценка дозы облучения населения от внутреннего и внешнего облучения в районах с низким и повышенным уровнем естественной радиации в Рамсаре, Иран». Серия международных конгрессов . 1276 : 169–174. doi :10.1016/j.ics.2004.11.102.
  31. ^ "Риски для здоровья". Радон . EPA. Архивировано из оригинала 2008-10-20 . Получено 05.03.2012 .
  32. ^ Кампхаузен КА, Лоуренс РК. «Принципы лучевой терапии». Архивировано 15 мая 2009 г. в Wayback Machine в Pazdur R, Wagman LD, Camphausen KA, Hoskins WJ (редакторы). Лечение рака: многопрофильный подход. Архивировано 4 октября 2013 г. в Wayback Machine . 11-е изд. 2008.
  33. ^ Pattison JE, Bachmann DJ, Beddoe AH (1996). «Гамма-дозиметрия на поверхностях цилиндрических контейнеров». Журнал радиологической защиты . 16 (4): 249–261. Bibcode : 1996JRP....16..249P. doi : 10.1088/0952-4746/16/4/004. S2CID  71757795.
  34. ^ Паттисон, Дж. Э. (1999). «Дозы в палец, полученные во время инъекций самария-153». Health Physics . 77 (5): 530–5. doi :10.1097/00004032-199911000-00006. PMID  10524506.
  35. ^ «Супервспышки могут убить незащищенных астронавтов». New Scientist. 21 марта 2005 г. Архивировано из оригинала 27 марта 2015 г.
  36. ^ "Эффективная мощность дозы". NAIRAS (Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation System) . Архивировано из оригинала 2016-03-05.
  37. ^ abcdefgh Джеффри Р. Дэвис; Роберт Джонсон; Ян Степанек (2008). Основы аэрокосмической медицины. Lippincott Williams & Wilkins. стр. 221–230. ISBN 9780781774666. Архивировано из оригинала 2020-08-03 . Получено 2015-06-27 – через Google Books.
  38. ^ ab "Новый символ выпущен для предупреждения общественности об опасности радиации". Международное агентство по атомной энергии. 15 февраля 2007 г. Архивировано из оригинала 2007-02-17.

Литература

Внешние ссылки