3.6. ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изонизирующее излучение - это электромагнитное излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы различных знаков.

Взаимодействие с веществом заряженных частиц, гамма-квантов и рентгеновских лучей. Корпускулярные частицы ядерного происхождения (α-частицы, (β-частицы, нейтроны, протоны и т.д.), а также фотонное излучение (γ-кванты и рентгеновское и тормозное излучение) обладают значительной кинетической энергией. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию в основном в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами (как это происходит при взаимодействии бильярдных шаров), отдавая им всю или часть своей энергии на возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту), а также на ионизацию атомов или молекул среды (т.е. отрыв одного или более электронов от атомов).

Упругое взаимодействие характерно для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передавать часть энергии, пропорциональную массам соударяющихся

128

частиц. Если это тяжелый атом, то передается только часть энергии. Если это атом водорода, равный массе нейтрона, то передается вся энергия. При этом нейтрон замедляется до тепловых энергий порядка долей электровольта и далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать ему такое количество энергии, которое достаточно, чтобы ядро "выскочило" из электронной оболочки. В этом случае образуется заряженная частица, обладающая значительной скоростью, которая способна осуществлять ионизацию среды.

Аналогично взаимодействие с веществом и фотона. Он самостоятельно не способен ионизировать среду, но выбивает электроны из атома, которые и производят ионизацию среды. Нейтроны и фотонное излучение относятся к косвенно ионизирующим излучениям.

Заряженные частицы (α- и β-частицы), протоны и другие способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома и электрическим полем ядра. При этом заряженные частицы тормозятся и отклоняются от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение, одно из разновидностей фотонного излучения.

Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают эту энергию другим атомам, либо испускают кванты характеристического излучения, либо, соударяясь с другими возбужденными атомами, могут получить энергию, достаточную для ионизации атомов.

Как правило, при взаимодействии излучений с веществами происходят все три вида последствий этого взаимодействия: упругое соударение, возбуждение и ионизация. На примере взаимодействия электронов с веществом в табл. 3.15 показана относительная доля и энергия, теряемая ими на различные процессы взаимодействия.

Таблица 3.15. Относительная доля энергии, теряемая электронами в результате различных процессов взаимодействия, %

Энергия, эВ	Упругое взаимодействие	Возбуждение атомов среды	Ионизация
103	8,7	54,8	36,5
104	4,1	63,4	32,4
105	1,8	68,0	30,2

Процесс ионизации является наиболее важным эффектом, на котором построены почти все методы дозиметрии ядерных излучений, особенно косвенно ионизирующих излучений.

В процессе ионизации образуются две заряженные частицы: положительный ион (или атом, потерявший электрон с внешней оболочки)

129

и свободный электрон. При каждом акте взаимодействия могут быть оторваны один или несколько электронов.

Истинная работа ионизации атома составляет 10... 17 эВ, т.е. столько энергии требуется для отрыва электрона от атома. Экспериментально установлено, что энергия, передаваемая на образование одной пары ионов в воздухе, в среднем 35 эВ для α-частиц и 34 эВ для электронов, а для вещества биологической ткани примерно 33 эВ. Разница определяется следующим. Среднюю энергию, идущую на образование одной пары ионов, определяют экспериментально как отношение энергии первичной частицы к среднему числу пар ионов, образованной одной частицей на всем ее пути. Так как заряженные частицы тратят свою энергию на процессы возбуждения и ионизации, то в экспериментальную величину энергии ионизации входят все виды энергетических потерь, отнесенные к образованию одной пары ионов. Экспериментальным подтверждением сказанному является табл. 3.14.

Дозы излучения. Когда ионизирующее излучение проходит через вещество, то на него оказывает воздействие только та часть энергии излучения, которая передается веществу, поглощается им. Порция энергии, переданная излучением веществу, называется дозой.

Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является поглощенная доза. Поглощенная доза Д (Дж/кг) - это отношение средней энергии de, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к единице массы dm вещества в этом объеме

D =

de

dm

.

В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр), названной в честь английского физика и радиобиолога Л. Грея. 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг. 1 Гр = 1 Дж·кг^-1.

Доза эквивалентная H - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения, W_R

H_T,R = W_R · D_T,R

где D_T,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т; W_R - взвешивающий коэффициент для излучения R. Если поле излучения состоит из нескольких излучений с различными величинами W_R, то эквивалентная доза определяется в виде:

H_m =

∑

R

W_R · D_T,R .

Единицей измерения эквивалентной дозы является Дж · кг^-1, имеющий специальное название зиверт (Зв).

130

Доза эффективная Е - величина, используемая как мера возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе Н_τТ на соответствующий коэффициент для данного органа или ткани:

Е =

∑

T

W_T · H_τT ,

где Н_τТ - эквивалентная доза в ткани T за время τ, a W_T - взвешивающий коэффициент для ткани Т. Единица измерения эффективной дозы - Дж кг^-1, которая имеет специальное название - зиверт (Зв).

Доза эффективная коллективная S - величина, определяющая полное воздействие излучения на группу людей, определяется в виде:

S = ∑ E_i · N_i ,

где E_i - средняя эффективная доза i-й подгруппы группы людей, N_i - число людей в подгруппе.

Единица измерения эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел-Зв).

Механизм биологического действия ионизирующих излучений. Биологическое действие радиации на живой организм начинается на клеточном уровне. Живой организм состоит из клеток. Клетка животного состоит из клеточной оболочки, окружающей студенистую массу - цитоплазму, в которой заключено более плотное ядро. Цитоплазма состоит из органических соединений белкового характера, образующих пространственную решетку, ячейки которой заполняют вода, растворенные в ней соли и относительно малые молекулы липидов - веществ, по свойствам подобным жирам. Ядро считается наиболее чувствительной жизненно важной частью клетки, а основными его структурными элементами являются хромосомы. В основе строения хромосом находится молекула диоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой заключена наследственная информация организма. Отдельные участки ДНК, ответственные за формирование определенного элементарного признака, называются генами или "кирпичиками наследственности". Гены расположены в хромосомах в строго определенном порядке и каждому организму соответствует определенный набор хромосом в каждой клетке. У человека каждая клетка содержит 23 пары хромосом. При делении клетки (митозе) хромосомы удваиваются и в определенном порядке располагаются в дочерних клетках.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом (хромосомные аберрации), за которыми происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это и приводит к изменению генного аппарата и образованию дочерних клеток, неодинаковых с исходными. Если стойкие хромосомные аберрации происходят в половых клетках,

131

то это ведет к мутациям, т.е. появлению у облученных особей потомства с другими признаками. Мутации полезны, если они приводят к повышению жизнестойкости организма, и вредны, если проявляются в виде различных врожденных пороков. Практика показывает, что при действии ионизирующих излучений вероятность возникновения полезных мутаций мала.

Однако в любой клетке обнаружены непрерывно действующие процессы исправления химических повреждений в молекулах ДНК. Оказалось также, что ДНК достаточна устойчива по отношению к разрывам, вызываемым радиацией. Необходимо произвести семь разрушений структуры ДНК, чтобы она уже не могла восстановиться, т.е. только в этом случае происходит мутация. При меньшем числе разрывов ДНК восстанавливается в прежнем виде. Это указывает на высокую прочность генов по отношению к внешним воздействиям, в том числе и ионизирующим излучениям.

Разрушение жизненноважных для организма молекул возможно не только при прямом их разрушении ионизирующим излучением (теория мишени), но и при косвенном действии, когда сама молекула не поглощает непосредственно энергию излучения, а получает ее от другой молекулы (растворителя), которая первоначально поглотила эту энергию. В этом случае радиационный эффект обусловлен вторичным влиянием продуктов радиолиза (разложения) растворителя на молекулы ДНК. Этот механизм объясняется теорией радикалов. Повторяющиеся прямые попадания ионизирующих частиц в молекулу ДНК, особенно в ее чувствительные участки - гены, могут вызвать ее распад. Однако вероятность таких попаданий меньше, чем попаданий в молекулы воды, которая служит основным растворителем в клетке. Поэтому радиолиз воды, т.е. распад при действии радиации на водородный (Н) и гидроксильный (ОН) радикалы с последующим образованием молекулярного водорода и перекиси водорода, имеет первостепенное значение в радиобиологических процессах. Наличие в системе кислорода усиливает эти процессы. На основании теории радикалов главную роль в развитии биологических изменений играют ионы и радикалы, которые образуются в воде вдоль траектории движения ионизирующих частиц.

Высокая способность радикалов вступать в химические реакции обусловливает процессы их взаимодействия с биологически важными молекулами, находящимися в непосредственной близи от них. В таких реакциях разрушаются структуры биологических веществ, а это в свою очередь приводит к изменениям биологических процессов, включая процессы образования новых клеток.

Последствия облучения людей ионизирующим излучением. Когда мутация возникает в клетке, то она распространяется на все клетки нового организма, образовавшиеся путем деления. Помимо генетических эффектов, которые могут сказываться

132

на последующих поколениях (врожденные уродства), наблюдаются и так называемые соматические (телесные) эффекты, которые опасны не только для самого данного организма (соматическая мутация), но и его потомства. Соматическая мутация распространяется только на определенный круг клеток, образовавшихся путем обычного деления из первичной клетки, претерпевшей мутацию.

Соматические повреждения организма ионизирующим излучением являются результатом воздействия излучения на большой комплекс - коллективы клеток, образующих определенные ткани или органы. Радиация тормозит или даже полностью останавливает процесс деления клеток, в котором собственно и проявляется их жизнь, а достаточно сильное излучение в конце концов убивает клетки. Разрушительное действие излучения особенно заметно проявляется в молодых тканях. Это обстоятельство используется, в частности, для защиты организма от злокачественных (например, раковых опухолей) новообразований, которые разрушаются под воздействием ионизирующих излучений значительно быстрее доброкачественных клеток. К соматическим эффектам относят локальное повреждение кожи (лучевой ожог), катаракту глаз (помутнение хрусталика), повреждение половых органов (кратковременная или постоянная стерилизация) и др.

В отличие от соматических, генетические эффекты действия радиации обнаружить трудно, так как они действуют на малое число клеток и имеют длительный скрытый период, измеряемый десятками лет после облучения. Такая опасность существует даже при очень слабом облучении, которое хотя и не разрушает клетки, но способно вызвать мутации хромосом и изменить наследственные свойства. Большинство подобных мутаций проявляется только в том случае, когда зародыш получает от обоих родителей хромосомы, поврежденные одинаковым образом. Результаты мутаций, в том числе и смертность от наследственных эффектов - так называемая генетическая смерть, наблюдались задолго до того, как люди начали строить ядерные реакторы и применять ядерное оружие. Мутации могут быть вызваны космическими лучами, а также естественным радиационным фоном Земли, на долю которого по оценкам специалистов приходится 1 % мутаций человека.

Установлено, что не существует минимального уровня радиации, ниже которого мутации не происходит. Общее количество мутаций, вызванных ионизирующим излучением, пропорционально численности населения и средней дозе облучения. Проявление генетических эффектов мало зависит от мощности дозы, а определяется суммарной накопленной дозой независимо от того, получена она за 1 сутки или 50 лет. Полагают, что генетические эффекты не имеют дозового порога. Генетические эффекты определяются только эффективной коллективной дозой человеко-зиверт (чел-Зв), а выявление эффекта у отдельного индивидуума практически не предсказуемо.

В отличие от генетических эффектов, которые вызываются малыми дозами радиации, соматические эффекты всегда начинаются с определенной

133

пороговой дозы: при меньших дозах повреждения организма не происходит. Другое отличие соматических повреждений от генетических заключается в том, что организм способен со временем преодолевать последствия облучения, тогда как клеточные повреждения необратимы. Значения некоторых доз и эффектов воздействия излучения на организм приведены в табл. 3.16.

Таблица 3.16. Радиационное воздействие и соответствующие биологические эффекты

Воздействие
Доза, Зв	Мощность дозы или продолжительность	Облучение	Биологический эффект
0,003	В течение недели	О	Практически отсутствует
0,01	Ежедневно (в течение нескольких лет)	О	Лейкемия
0,015	Единовременно	Л	Хромосомные нарушения в опухолевых клетках (культура соответствующих тканей)
0,25	В течение недели	Л	Практически отсутствует
0,5 - 1	Накопление малых доз	Л	Удвоение мутагенных эффектов у одного поколения
2	Единовременно	О	Тошнота
3 - 5	-	О	СД50 для людей
4	-	Л	Выпадение волос (обратимое)
4 - 5	0,1 - 0,53 в/сут	О	Возможно излечение в стационарных условиях
6 - 9	3 Зв/сут или накопление малых доз	Л	Радиационная катаракта
10 - 25	2 - 3 Зв/сут	Л	Возникновение рака сильно радиочувствительных органов
25 - 60	2 - 3 Зв/сут	Л	Возникновение рака умеренно радиочувствительных органов
40 - 50	2 - 3 Зв/сут	Л	Дозовый предел для нервных тканей
50 - 60	2 - 3 Зв/сут	Л	Дозовый предел для желудочно-кишечного тракта

Нормирование воздействия ионизирующих излучений. К основным правовым нормативам в области радиационной безопасности относятся Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). Документ относится к категории санитарных правил (СП 2.6.1.758-99), утвержден Государственным санитарным врачом Российской Федерации 2 июля 1999 г.

Нормы радиационной безопасности включают в себя термины и определения, которые необходимо использовать в решении проблем радиационной безопасности. Они также устанавливают три класса нормативов: основные дозовые пределы; допустимые уровни, являющиеся производными от дозовых пределов; пределы годового поступления,

134

объемные допустимые среднегодовые поступления, удельные активности, допустимые уровни загрязнения рабочих поверхностей и т.д.; контрольные уровни.

Нормирование ионизирующих излучений определяется характером воздействия ионизирующей радиации на организм человека. При этом выделяются два вида эффектов, относящихся в медицинской практике к болезням: детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта, аномалии развития плода и др.) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Обеспечение радиационной безопасности определяется следующими основными принципами:

1. Принципом нормирования - непревышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников ионизирующего излучения.
2. Принципом обоснования - запрещение всех видов деятельности по использованию источников ионизирующего излучения, при которых полученная для человека и общества польза не превышает риск возможного вреда, причиненного дополнительным к естественному радиационному фону облучения.
3. Принципом оптимизации - поддержание на возможно низком и достижимом уровне с учетом экономических и социальных факторов индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц при использовании любого источника ионизирующего излучения.

В целях социально-экономической оценки воздействия ионизирующего излучения на людей для расчета вероятностей потерь и обоснования расходов на радиационную защиту при реализации принципа оптимизации НРБ-99 вводят, что облучение в коллективной эффективной дозе в 1 чел-Зв приводят к потере 1 чел-года жизни населения.

НРБ-99 вводят понятия индивидуальный и коллективный риск, а также определяют значение максимальной величины уровня принебрегаемого риска воздействия облучения. Согласно этим нормам индивидуальный и коллективный пожизненный риск возникновения стохастических (вероятностных) эффектов определяется соответственно:

r_ic =

∞

∫

0

p_i (E) · r_E · E dE ; R =

N

∑

i=1

r_ic ,

где r, R - индивидуальный и коллективный пожизненный риск соответственно; Е - индивидуальная эффективная доза; P_i(E)dE - вероятность для i-го индивидуума получить годовую эффективную дозу от Е до Е + dE; r_E - коэффициент пожизненного риска сокращения длительности периода полноценной жизни в среднем на 15 лет один стохастический эффект (от смертельного рака, серьезных наследственных эффектов и несмертельного рака, приведенного по вреду к последствиям от смертельного рака), равный

135

для производственного облучения:

r_E = 5,6 × 10^-2 1/чел.-Зв при Е < 200 мЗв/год;

r_E = 1,1 × 10^-1 1/чел.-Зв при Е ≥ 200 мЗв/год;

для облучения населения:

r_E = 7,3 × 10^-2 1/чел.-Зв при Е < 200 мЗв/год;

r_E = 1,5 × 10^-1 1/чел.-Зв при Е ≥ 200 мЗв/год.

Для целей радиационной безопасности при облучении в течение года индивидуальный риск сокращения длительности периода полноценной жизни в результате возникновения тяжелых последствий от детерминированных эффектов консервативно принимается равным:

r_i,Д = P_i[D > Д] ,

где P_i[D > Д] - вероятность для i-го индивидуума быть облученным с дозой больше Д при обращении с источником в течение года; Д - пороговая доза для детерминированного эффекта.

Потенциальное облучение коллектива из N индивидуумов оправдано, если

N

∑

i=1

(r_{i, c} · O_c + r_{i, д} · O_д) · c_m ≤ V - Y - P ,

где О_с - среднее сокращение длительности периода полноценной жизни в результате возникновения стохастических эффектов, равное 15 лет; O_д - среднее сокращение длительности периода полноценной жизни в результате возникновения тяжелых последствий от детерминированных эффектов, - равное 45 лет; с_т - денежный эквивалент потери 1 чел.-года жизни населения; V - доход от производства; Р - затраты на основное производство, кроме ущерба от защиты; Y - ущерб от защиты.

НРБ-99 подчеркивают, что снижение риска до возможного низкого уровня (оптимизацию) следует осуществлять с учетом двух обстоятельств:

• - предел риска регламентирует потенциальное облучение от всех возможных источников. Поэтому для каждого источника при оптимизации устанавливается граница риска;
• - при снижении риска потенциального облучения существует минимальный уровень риска, ниже которого риск считается пренебрежимым и дальнейшее снижение риска нецелесообразно.

Предел индивидуального риска для техногенного облучения лиц из персонала принимается 1,0 · 10^-3 за 1 год, а для населения 5,0 · 10^-5 за 1 год.

Уровень пренебрежимого риска разделяет область оптимизации риска и область безусловно приемлемого риска и составляет 10^-6 за 1 год.

НРБ-99 вводят следующие категории облучаемых лиц:

• - персонал и лица, работающие с техногенными источниками (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);

136

• - все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.

Для указанных категорий облучаемых лиц НРБ-99 вводят значения дозовых пределов, представленных в табл. 3.17.

Таблица 3.17. Основные дозовые пределы

Нормируемые величины	Дозовые пределы
	лица из персонала* (группа А)	лица из населения
Эффективная доза	20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год	1 мЗв в год в среднем за любые 5 лет, но не более 5 мЗв в год
Эквивалентная доза за год
в хрусталике	150 мЗв	15 мЗв
коже**	500 мЗв	50 мЗв
кистях и стопах	500 мЗв	50 мЗв

Основные дозовые пределы облучаемых лиц из персонала и населения не включают в себя дозы от природных, медицинских источников ионизирующего излучения и дозу вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются специальные ограничения.

НРБ-99 предусматривают, что при одновременном воздействии источников внешнего и внутреннего облучения должно выполняться условие, чтобы отношение дозы внешнего облучения к пределу дозы и отношение годовых поступлений нуклидов к их пределам в сумме не превышали 1.

Для женщин из персонала в возрасте до 45 лет эквивалентная доза в коже на поверхности нижней части живота не должна превышать 1 мЗв в месяц, а поступление радионуклидов в организм не должно превышать за год 1/20 предела годового поступления для персонала. При этом эквивалентная доза облучения плода за 2 месяца не выявленной беременности не превышает 1 мЗв.

При установлении беременности женщин из персонала работодатели должны переводить их на другую работу, не связанную с излучением.

Для студентов в возрасте до 21 года, проходящих облучение с источниками ионизирующего излучения, годовые накопленные дозы не должны превышать значений, установленных для лиц из населения.

При проведении профилактических медицинских рентгенологических научных исследований практически здоровых лиц, годовая эффективная доза облучения не должна превышать 1 мЗв.

НРБ-99 устанавливают также требования по ограничению облучения населения в условиях радиационной аварии.

137