Оно может быть бытовым, профессиональным, промышленным или военным. В качестве датчиков могут использоваться различные измерительные приборы: газовые разряды, сцинтилляционные кристаллы, счетчики Гейгера-Мюллера, термолюминесцентные лампы, штыревые диоды.
Нормы радиации в помещении
Радиоактивное излучение присутствует вокруг нас, во всех предметах и, в определенной степени, в самом человеке. Опасность представляет не само излучение, а то, когда оно превышает определенные уровни. Одно дело — подвергаться воздействию радиации в течение короткого периода времени, другое — в течение длительного времени, например, если вы живете в зараженном доме. Забегая вперед, скажу, что безопасный уровень радиации для человека определяется как 30 микрорентген в час (мкР/ч). Существует несколько других единиц измерения. Другие стандарты и единицы измерения обсуждаются ниже.
Что такое радиация
Радиация — это вид излучения, которое исходит от заряженных частиц. Это излучение воздействует на окружающие предметы и ионизирует вещество. В случае с человеком оно не только ионизирует клетки, но и разрушает их или вызывает рак.
Большинство элементов матрицы Менделеева инертны и безвредны, но некоторые из них нестабильны. Не вдаваясь в подробности, это можно описать следующим образом. Атомы некоторых веществ распадаются из-за хрупкости их внутренних связей. Этот распад сопровождается высвобождением частиц альфа-, бета- и гамма-излучения.
При этом происходит высвобождение энергии с различной проникающей способностью, которая по-разному воздействует на ткани организма.
Виды радиации
Существуют различные виды радиоактивности, которые можно классифицировать как безвредные, малоопасные и опасные. Мы не будем подробно останавливаться на них, но главное — понять, с чем вы можете столкнуться в помещении. Итак, это следующие виды:
- альфа (α) излучение;
- бета (β) излучение;
- гамма (γ) излучение;
- нейтронное;
- рентгеновское.
Альфа-излучение, бета-излучение и нейтронное излучение — это излучение частиц. Гамма-лучи и рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение.
Вероятно, дома вы не столкнетесь с рентгеновским и нейтронным излучением, поскольку это специальные лучи, но вы можете столкнуться с другими видами излучения. Каждый из этих видов излучения несет различный риск, но необходимо также учитывать количество излучения, которому подвергся человек.
Единицы измерения радиоактивного излучения
Многие люди испытывают трудности с распознаванием единиц измерения радиоактивного излучения и практическим использованием определенных величин. Трудности возникают не только из-за их большого разнообразия: беккерель, кюри, зиверт, рентген, рад, кулон, ремс и т.д., но и из-за того, что все используемые величины не относятся к кратным и при необходимости не могут быть переведены друг в друга.
Как разобраться?
Все довольно просто, если рассматривать отдельно единицы, связанные с радиоактивностью как физическим явлением, и величины, измеряющие влияние этого явления (ионизирующего излучения) на живые организмы и окружающую среду. Не стоит забывать и о внесистемных единицах и единицах радиоактивности, которые относятся к системе СИ (Международная система единиц), введенной в 1982 году и обязательной для всех учреждений и компаний.
Кюри (Ки) — первая единица радиоактивности, измеряющая активность 1 грамма чистого радия. Она была введена в 1910 году и названа в честь французских ученых К. и М. Кюри. Она не связана ни с какой системой измерения и в последнее время утратила свое практическое значение. Однако в России значение Кюри может использоваться в ядерной физике и медицине без ограничения по времени, несмотря на действующую систему СИ.
Единицы радиоактивности в системе СИ
В СИ используется другая величина — беккерель (Бк), которая указывает на распад атомного ядра в секунду. Беккерель удобнее для расчета, чем кюри, поскольку имеет меньшие значения и количество радионуклида можно определить без сложных математических операций с его радиоактивностью. Подсчитав число распадов 1 г радона, можно легко определить соотношение между Ки и Бк: 1 Ки = 3,7*1010 Бк и определить активность любого другого радиоактивного элемента.
С открытием радия было установлено, что излучение радиоактивных веществ воздействует на живые организмы и имеет сходное биологическое действие с рентгеновскими лучами. Это привело к появлению понятия дозы ионизирующего излучения — величины, позволяющей оценить последствия воздействия радиации на организмы и вещества. В зависимости от свойств излучения различают эквивалентную, поглощающую и экспозиционную дозы:
- Экспозиционная доза – показатель ионизации воздуха, возникающей под действием гамма- и рентгеновских лучей, определяется количеством образовавшихся ионов радионуклидов в 1 куб. см. воздуха при нормальных условиях. В системе СИ она измеряется в кулонах (Кл), но существует и внесистемная единица – рентген (Р). Один рентген – большая величина, поэтому удобнее на практике использовать ее миллионную (мкР) или тысячную (мР) доли. Между единицами экспозиционной дозы установлено следующее соотношения: 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
- Поглощенная доза – энергия альфа-, бета- и гамма-излучения, поглощенная и накопленная единицей массы вещества. В международной системе СИ для нее введена следующая единица измерения – грей (Гр), хотя до сих пор в отдельных областях, например в радиационной гигиене и в радиобиологии широко используется внесистемная единица – рад (Р). Между этими величинами имеется такое соответствие: 1 Рад = 10-2 Гр.
- Эквивалентная доза – поглощенная доза ионизирующего излучения, учитывающая степень его воздействия на живую ткань. Поскольку одинаковые дозы альфа-, бета- или гамма-излучения оказывают разный биологический ущерб, введен так называемый КК –коэффициент качества. Для получения эквивалентной дозы необходимо поглощенную дозу, полученную от определенного вида излучения, умножить на этот коэффициент. Измеряется эквивалентная доза в берах (Бэр) и зивертах (Зв), обе эти единицы взаимозаменяемы, переводятся из одной в другую таким образом: 1 Зв = 100 Бэр (Рем).
В системе СИ используется зиверт, который представляет собой эквивалентную дозу данного ионизирующего излучения, поглощенную одним килограммом биологической ткани. Для перевода оттенков серого цвета в зиверты используется коэффициент относительной биологической активности (RBE), что одно и то же:
- для альфа-частиц – 10-20;
- для гамма- и бета-излучения – 1;
- для протонов – 5-10;
- для нейтронов со скоростью до 10 кэВ – 3-5;
- для нейтронов со скоростью больше 10 кэВ: 10-20;
- для тяжелых ядер – 20.
Бэр (биологический рентгеновский эквивалент) или бэр (бэр — рентгеновский эквивалент человека) — это единица эквивалентной дозы системы. Поскольку альфа-излучение наносит больший ущерб, измеренное излучение в рад необходимо умножить на двадцать раз, чтобы получить результат в бэр. При определении гамма- или бета-излучения преобразование величин не требуется, так как бэр и рад равны друг другу.
| Основные радиологические величины и единицы | |||
| Величина | Внесистемные | Си | Соотношения между единицами |
| Активность нуклида, А | Кюри (Ки, Ci) | Беккерель (Бк, Bq) | 1 Ки = 3.7·10 10 Бк 1 Бк = 1 расп/с 1 Бк=2.7·10 -11 Ки |
| Экспозицион- ная доза, X | Рентген (Р, R) | Кулон/кг (Кл/кг, C/kg) | 1 Р=2.58·10 -4 Кл/кг 1 Кл/кг=3.88·10 3 Р |
| Поглощенная доза, D | Рад (рад, rad) | Грей (Гр, Gy) | 1 Гр=1 Дж/кг |
| Эквивалентная доза, Н | Бэр (бэр) | Зиверт (Зв, Sv) | 1 бэр=10 -2 Зв 1 Зв=100 бэр |
| Интегральная доза излучения | Рад-грамм (рад·г, rad·g) | Грей- кг (Гр·кг, Gy·kg) | 1 рад·г=10-5 Гр·кг 1 Гр·кг=105 рад·г |
Суть радиации
История радиации
Излучение было впервые открыто в 1896 году французским исследователем Анри Беккерелем. Он проводил эксперименты и обнаружил, что вещество, содержащее соли урана (радиоактивный металл), просвечивает фотопластинки даже через фотостойкую бумагу. 1 марта 1897 года он прочитал лекцию под названием «Исследование урановых лучей». 1
Термин «радиоактивность» впервые был использован Марией Склодовской-Кюри. Именно ее наблюдения за свойствами урана и тория привели к открытию этого явления. Склодовская-Кюри открыла два новых радиоактивных элемента: полоний и радий. В 1903 году Мари и ее муж Пьер Кюри были удостоены Нобелевской премии по физике.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Регген открыл излучение, позволившее заглянуть внутрь человеческого тела, и назвал его «рентгеновскими лучами». Это открытие положило начало использованию излучения в медицине 2.
Впоследствии Вильгельм Конрад Рентген и Мария Кюри умерли от рака. Есть данные, что к концу 1950-х годов по меньшей мере 359 человек, работавших с радиацией (в основном врачи и другие ученые), умерли от воздействия радиации, не зная, что должны защищаться от нее.
В чем измеряется радиация
Радиация измеряется в трех единицах: Беккерель, Грей (Гр) и Зиверт. Первая единица соответствует количеству атомов, распадающихся в секунду. Вторая — это единица измерения количества энергии, выделяемой в веществе при воздействии радиации. Третья единица — это количество энергии, поглощенной одним килограммом биологической ткани.
В таблице Unicode (стандарт кодирования символов) есть символ для обозначения радиации. Он выглядит как цветок с множеством лепестков.
Естественные источники радиации
Родон
В 80% случаев люди подвергаются воздействию ионизирующего излучения «естественного» характера 3. Основной причиной (42%) является воздействие газа радона. Он образуется в результате распада урана в почве. Этот газ бесцветен и не имеет запаха. Люди могут годами не подозревать о том, что они вдыхали это вещество.
Газ находится глубоко под землей, но иногда он попадает во внешний мир. Это происходит, когда возникает так называемый тектонический разлом (трещина в земной коре), рассказала РБК Маргарита Лупунчук, руководитель экологической организации УМАН. Количество газа, попадающего в дом, зависит от проницаемости почвы, используемых строительных материалов и качества вентиляции здания. Чем лучше проветриваются помещения, тем ниже риск отравления радоном.
В старых зданиях уровень радона выше, чем в новых. Многие здания 1930-х годов имеют высокий уровень радона, потому что для заливки полов использовались материалы с высоким содержанием радона.
Маргарита Лупунчук:
«Проверить отсутствие радона довольно просто — обратитесь в Региональный центр гигиены и эпидемиологии для проведения комплексного радиологического обследования вашей квартиры, дома, чтобы защитить свое здоровье и здоровье своей семьи».
Почвы
Около 16% всех случаев облучения происходит через контакт с почвой 4. Вы касаетесь ее руками или вдыхаете пыль, содержащую радиоактивные металлы калий, уран, торий и другие. Экономическая деятельность является одной из основных причин их возникновения. Концентрация естественных радионуклидов увеличивается из-за технологических процессов. К ним относятся добыча, переработка и хранение полезных ископаемых, производство и применение удобрений, сжигание угля на тепловых электростанциях. Радиоактивные отходы оседают в почве 5.
Космическое излучение
На них приходится около 13 % общего радиационного облучения людей. В межзвездном пространстве существует множество источников радиации. Иногда радиоактивные лучи проникают в магнитное поле Земли. Чем выше над землей, тем сильнее радиационное воздействие. Воздух, который служит защитным слоем, становится все тоньше и тоньше. Пассажиры самолетов, которые летают часто и на большие расстояния, могут получить большие дозы облучения.
Андрей Фролов, сопредседатель Московского союза экологических организаций и эколог, говорит: «Когда человек летит в самолете несколько часов, это то же самое, что сходить в рентгеновский кабинет. Это небольшое количество радиации. Если он летает каждую неделю, мы уже можем говорить о серьезной дозе радиации».
Еда и напитки
Радионуклиды могут попасть в растения, а затем и в животных через камни и минералы в почве и воде. Дозы облучения зависят от концентрации радионуклидов в пище и воде и от пищевых привычек. Рыба и моллюски, например, содержат высокие уровни свинца и полония. Люди, которые едят много морепродуктов, могут получить большую дозу радиации, чем мясоеды.
Человеческий организм
Люди также слегка радиоактивны 6. Ткани тела содержат небольшие дозы радионуклидов и не могут быть утилизированы. Их существует всего два. Это калий-40 и углерод-14 (известный как радиоуглерод). Они не опасны для здоровья.
Искусственные источники радиации
Искусственные источники увеличивают дозу радиации от естественных источников как для отдельных людей, так и для всего населения Земли.
Медицина
В среднем на них приходится 98% облучения от всех искусственных источников 7. Рентгеновские лучи, магнитно-резонансная томография и ультразвук используются в здравоохранении.
В последнее время широкое распространение получила ядерная медицина. Это ряд процедур, при которых в организм вводятся радиоактивные вещества для изучения структуры или функции органа.
Радиотерапия используется для лечения злокачественных и доброкачественных опухолей. Все тело облучается ионизирующим излучением. При другом методе, брахитерапии, в организм вводятся металлические или герметичные радиоактивные источники.
Ядерные реакторы
Так называются устройства, используемые для высвобождения энергии. Это происходит в результате специальной химической реакции — деления ядер урана. Она может быть использована для выработки электроэнергии на атомных электростанциях. Это особенно экологически чистый способ получения энергии, который не производит токсичных отходов.
Производство электроэнергии на атомных электростанциях вызывает много вопросов: Когда АЭС работают хорошо, они почти не вносят вклад в глобальное радиационное облучение. Однако, когда на электростанции происходят форс-мажорные обстоятельства, случается катастрофа. Так случилось в 1986 году, когда взорвалась Чернобыльская атомная электростанция. Последствия этой катастрофы ощущаются до сих пор, хотя прошло уже 35 лет.
Нормы радиации для человека
- Пищевые продукты, которые употребляются в пищу человеком.
- Вода и жидкости на ее основе.
- Воздух и воздушные массы, которые могут транспортировать радиационное излучение на большие территории под воздействием климатических условий.
- Строительные материалы и вещества, использующиеся для строительства.
- Компьютерная техника и другие электрические приборы и оборудование, которые могут содержать в своем теле ионизирующие вещества.
- Медицинские приборы и оснащение.
Всякие разные дозы
Однако было установлено, что различные виды радиоактивного излучения по-разному воздействуют на живые ткани. Альфа-излучение, протоны и нейтроны гораздо вреднее гамма-излучения и бета-частиц при одинаковой поглощенной дозе. Поэтому в дополнение к поглощенной дозе существует еще один вид дозы: эквивалент дозы. Она равна дозе гамма-излучения, которая вызывает такой же биологический эффект, как и доза этого излучения. Единицей эквивалентной дозы является зиверт. Старая единица эквивалентной дозы — биологический эквивалент рентгеновских лучей, или бэр (иногда в переводных книгах или у радиологов приводится как бэр, что то же самое, что бэр). 1 Зв = 100 ре
Чтобы преобразовать поглощенную дозу в эквивалент дозы, необходимо умножить поглощенную дозу на так называемый коэффициент качества. Для фотонов, электронов и мюонов этот коэффициент равен единице, для альфа-частиц он принимается равным 20, для протонов, по разным данным, составляет от 2 до 5, а для нейтронов сильно зависит от энергии и достигает 20 в диапазоне энергий от 100 кэВ до 2 МэВ (см. рисунок).
В дополнение к эквивалентной дозе рассматривается также эффективная доза. Она учитывает не только различные степени вредности излучения, но и различные степени вредности облучения части тела или органа, если облучается не все тело, а его часть. Весовые коэффициенты присваиваются отдельным тканям и органам так, чтобы сумма равнялась единице. Если все тело облучается равномерно, то эффективная доза эквивалентна. Она измеряется в тех же единицах, что и эквивалентная доза.
На этом я остановлюсь: Я не собираюсь запутывать вас и рассказывать, что такое керма, эквивалентная доза окружающей среды и многие другие вещи.
А как это все измеряют?
Для измерения экспозиционной дозы, как я уже сказал, нужно взять определенный объем воздуха, собрать образовавшиеся в нем ионы и определить их количество, что успешно делается с помощью ионизационной камеры. На основе ионизационных камер построено большинство накопительных дозиметров в форме карандаша.
А чтобы измерить поглощенную дозу, нужно измерить количество энергии, высвобожденной в веществе. И именно здесь кроется основная трудность. Очень трудно измерить эту энергию напрямую, потому что в большинстве случаев она очень мала. Одна сера (а это большая доза, которая уже вызывает лучевую болезнь) составляет всего один джоуль на килограмм. Если попытаться измерить эту дозу, например, термометрически — путем изменения температуры — то, например, алюминий нагревается лишь на чуть более чем одну тысячную градуса.
Поэтому все методы измерения поглощенной дозы или мощности дозы являются косвенными. Они заключаются в наблюдении процесса, вызванного излучением, который требует ввода энергии, и предположении, что «выход» этого процесса линейно зависит от энергетического вклада поглощенного излучения.
Первичным актом взаимодействия ионизирующего излучения с веществом почти всегда является сама ионизация. Квант гамма-излучения или другая частица, испускаемая радиоактивной материей, обычно имеет энергию, значительно превышающую энергию, необходимую для высвобождения электрона из атома. Таким образом, процесс ионизации не является концом материи. На протяжении всей орбиты частицы в веществе образуются свободные электроны и положительно заряженные ионы, энергия которых обычно не меньше энергии ионизации, что приводит к целому каскаду процессов образования свободных электронов и ионов, пока их энергия не сравняется с энергией химической связи, первой энергией ионизации и так далее. И уже эти электроны и ионы непосредственно оказывают на вещество то воздействие, которое характерно для ионизирующего излучения: стимулируют свечение, запускают химические реакции, разрушают биологические структуры, становятся носителями электрического тока. И их количество, и их суммарная энергия пропорциональны поглощенной дозе (строго говоря — минус энергия вылетевших из вещества электронов), и они «ничего не знают» о своей причине. Исторически одним из первых дозиметров была обычная фотопленка, завернутая в фотостойкий материал. Степень загара после облучения зависит от поглощенной дозы так же, как и от воздействия обычного видимого света: существует диапазон линейной зависимости, ограниченный кривой в диапазоне малых доз и ведущий к насыщению (с последующим солнечным ожогом — уменьшением плотности) в диапазоне больших доз. Фотопленка дешева и достаточно чувствительна, но не очень надежна, так как небольшие отклонения в обработке могут привести к значительным ошибкам в определении дозы. Фотографическая пленка — один из первых представителей семейства химических дозиметров, в которых доза определяется по количеству вещества, образующегося или расходующегося в ходе реакции: цвету, парамагнетику или какому-либо другому легко измеряемому свойству. Раствор в пробирке может быть темным или более радиационно окрашенным раствором (например, в результате окисления железа (II) до железа (III) с образованием ярко-красного роданида), стеклом или кристаллом, в котором образовались так называемые радиационно-поглощающие дефекты. Химические дозиметры позволяют определить дозу облучения с большой точностью и в очень широком диапазоне значений.
Доза в разных материалах и ход с жесткостью
которые не причинят человеку большого вреда, до тех, которые убьют его за минуту. Но, как правило, мощность дозы нельзя измерить.
В разделе о поглощенной дозе я вскользь упомянул, что доза, поглощенная разными материалами, различна для одного и того же тока излучения и зависит от энергии квантов и свойств вещества. В случае гамма-излучения поглощение определяется одним свойством материала, а именно средним (или эффективным) атомным номером. Гамма-излучение передает одинаковую энергию веществам с одинаковой массой на единицу площади. Материал, имеющий тот же атомный состав, что и живая ткань, поглощает гамма-излучение любой энергии так же, как и живая ткань, поэтому поглощенная доза для детектора, изготовленного из этого материала, такая же, как и поглощенная доза для человеческого тела. А если мы сделаем детектор из йодистого цезия (один из наиболее часто используемых сцинтилляторов), мы можем откалибровать его на любую энергию, и он будет работать при других энергиях. Такое изменение показаний дозиметра в зависимости от энергии излучения называется «откликом строгости» или энергетической зависимостью дозового отклика детектора.
На рисунке (из «Нового справочника химика и технолога», т. 11, с. 111) показана энергетическая зависимость дозового отклика детекторов из различных сцинтилляторов. Слева сравниваются антрацен («легче» по среднему атомному весу, чем живая ткань) и йодид натрия (намного «тяжелее» последнего). Видно, что детектор йодистого натрия завышает дозу в 10 раз в определенном диапазоне энергий! Диаграмма справа показывает, что можно почти полностью устранить «удар жесткости» с помощью смеси органических сцинтилляторов, которые «легче» и «тяжелее» живой ткани.
