Ионизирующее излучение ( ионизирующее излучение ) состоит из субатомных частиц или электромагнитных волн , обладающих достаточной энергией для ионизации атомов или молекул путем отделения от них электронов . [1] Частицы обычно движутся со скоростью, превышающей 1% скорости света , а электромагнитные волны находятся в высокоэнергетической части электромагнитного спектра .
Гамма-лучи , рентгеновские лучи и более высокая ультрафиолетовая часть электромагнитного спектра являются ионизирующими излучениями, тогда как ультрафиолет более низкой энергии , видимый свет , почти все типы лазерного света, инфракрасное , микроволны и радиоволны являются неионизирующим излучением . Граница между ионизирующим и неионизирующим излучением в ультрафиолетовой области четко не определена, поскольку разные молекулы и атомы ионизируются с разными энергиями , но между 10 электронвольт (эВ) и 33 эВ.
Типичные ионизирующие субатомные частицы из-за радиоактивного распада включают альфа-частицы , бета-частицы и нейтроны, и почти все они обладают достаточной энергией, чтобы быть ионизирующими. Вторичные космические частицы, образующиеся после взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли, включают мюоны , мезоны и позитроны . [2] [3] Космические лучи могут также производить на Земле радиоизотопы (например, углерод-14 ), который, в свою очередь, распадается и испускает ионизирующее излучение. Космические лучи и распад радиоактивных изотопов являются основными источниками естественного ионизирующего излучения на Земле, вносящего вклад в фоновое излучение . Ионизирующее излучение также создается искусственно, например, рентгеновскими трубками , ускорителями частиц и ядерным делением .
Ионизирующее излучение не обнаруживается человеческими органами чувств, поэтому для его обнаружения и измерения необходимо использовать такие инструменты, как счетчики Гейгера . Однако очень высокие интенсивности могут давать видимый свет, такой как черенковское излучение . Ионизирующее излучение используется в самых разных областях, таких как медицина , ядерная энергетика , исследования и промышленное производство, но представляет опасность для здоровья, если не приняты надлежащие меры против чрезмерного облучения. Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток живой ткани, а в высоких острых дозах приводит к радиационным ожогам и лучевой болезни , а более низкие дозы в течение длительного времени могут вызвать рак . [4] Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) вопросы руководства по ионизирующей радиационной защиты, и влияние поглощения дозы на здоровье человека.
Прямое ионизирующее излучение
Ионизирующее излучение можно разделить на прямо или косвенно ионизирующее.
Любая заряженная частица с массой может ионизировать атомы напрямую посредством фундаментального взаимодействия через кулоновскую силу, если она несет достаточную кинетическую энергию. К таким частицам относятся атомные ядра , электроны , мюоны , заряженные пионы , протоны и энергично заряженные ядра, лишенные своих электронов. При движении с релятивистскими скоростями (близкими к скорости света , c) эти частицы обладают достаточной кинетической энергией для ионизации, но скорость значительно варьируется. Например, типичная альфа-частица движется со скоростью около 5% от c, а электрон с энергией 33 эВ (достаточно для ионизации) движется со скоростью около 1% от c.
Два из первых открытых типов непосредственно ионизирующего излучения - это альфа-частицы, которые представляют собой ядра гелия, выбрасываемые из ядра атома во время радиоактивного распада, и энергичные электроны, которые называются бета-частицами .
Природные 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, в результате чего образуются короткоживущие заряженные пионы, которые вскоре распадаются на мюоны, основной тип космического излучения, достигающего поверхности Земли. Пионы также могут быть произведены в больших количествах в ускорителях частиц .
Альфа-частицы
Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия . Эмиссия альфа-частиц обычно происходит в процессе альфа-распада .
Альфа-частицы представляют собой сильно ионизирующую форму излучения, но при радиоактивном распаде они имеют низкую проникающую способность и могут поглощаться несколькими сантиметрами воздуха или верхним слоем кожи человека. Более мощные альфа-частицы от тройного деления в три раза более энергичны и пропорционально проникают в воздух. Ядра гелия, которые образуют 10–12% космических лучей, также обычно имеют гораздо более высокую энергию, чем ядра, образующиеся при радиоактивном распаде, и создают проблемы с защитой в космосе. Однако этот тип излучения значительно поглощается атмосферой Земли, которая представляет собой радиационный экран, эквивалентный примерно 10 метрам воды. [5]
Альфа - частицы были названы в честь первой буквы в греческом алфавите , альфа . Символ альфа-частицы - α или α 2+ . Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда пишут как He2+
или же 4
2Он2+
что указывает на ион гелия с зарядом +2 (без двух электронов). Если ион получает электроны из окружающей среды, альфа-частица может быть записана как нормальный (электрически нейтральный) атом гелия.4
2Он .
Бета-частицы
Бета-частицы - это высокоэнергетические, высокоскоростные электроны или позитроны, испускаемые определенными типами радиоактивных ядер , такими как калий-40 . Образование бета-частиц называется бета-распадом . Обозначаются они греческой буквой бета (β). Есть две формы бета-распада, β - и β + , которые соответственно дают начало электрону и позитрону. [6] Бета-частицы менее проникают, чем гамма-излучение, но более проникают, чем альфа-частицы.
Бета-частицы высокой энергии могут производить рентгеновское излучение, известное как тормозное излучение («тормозное излучение») или вторичные электроны ( дельта-луч ), когда они проходят через вещество. Оба они могут вызвать косвенный эффект ионизации. Тормозное излучение вызывает беспокойство при экранировании бета-излучателей, поскольку взаимодействие бета-частиц с экранирующим материалом вызывает тормозное излучение. Этот эффект сильнее с материалом с большим атомным номером, поэтому материал с низким атомным номером используется для защиты бета-источника.
Позитроны и другие типы антивещества
Позитронно или антиэлектрон является античастицей или антиматерии двойник электрона . Когда низкоэнергетический позитрон сталкивается с низкоэнергетическим электроном, происходит аннигиляция , приводящая к их преобразованию в энергию двух или более гамма- квантов (см. Электрон-позитронная аннигиляция ). Поскольку позитроны являются положительно заряженными частицами, они могут напрямую ионизировать атом через кулоновские взаимодействия.
Позитроны могут генерироваться ядерным распадом с испусканием позитрона (посредством слабых взаимодействий ) или рождением пар из фотона с достаточно высокой энергией . Позитроны - обычные искусственные источники ионизирующего излучения, используемые при сканировании с помощью медицинской позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Заряженные ядра
Заряженные ядра характерны для галактических космических лучей и событий с солнечными частицами и, за исключением альфа-частиц (заряженных ядер гелия), не имеют естественных источников на Земле. Однако в космосе протоны очень высоких энергий, ядра гелия и ионы HZE могут быть первоначально остановлены относительно тонкими слоями защиты, одежды или кожи. Однако в результате взаимодействия будет генерироваться вторичное излучение и возникать каскадные биологические эффекты. Если, например, энергичный протон вытесняет хотя бы один атом ткани, столкновение вызовет дальнейшие взаимодействия в организме. Это называется « линейной передачей энергии » (ЛПЭ), в которой используется упругое рассеяние .
LET можно представить себе как бильярдный шар, ударяющий в другой, с сохранением количества движения , который отбрасывает их вместе с энергией первого шара, разделенной между ними неравномерно. Когда заряженное ядро сталкивается с относительно медленно движущимся ядром объекта в космосе, возникает ЛПЭ, и нейтроны, альфа-частицы, протоны низкой энергии и другие ядра высвобождаются в результате столкновений и вносят вклад в общую поглощенную дозу ткани. [7]
Непрямое ионизирующее излучение
Непрямое ионизирующее излучение электрически нейтрально и не сильно взаимодействует с веществом, поэтому основная часть ионизационных эффектов связана с вторичной ионизацией.
Фотонное излучение
Несмотря на то, что фотоны электрически нейтральны, они могут косвенно ионизировать атомы через фотоэлектрический эффект и эффект Комптона . Любое из этих взаимодействий вызовет выброс электрона из атома с релятивистскими скоростями, превратив этот электрон в бета-частицу (вторичную бета-частицу), которая будет ионизировать другие атомы. Поскольку большая часть ионизированных атомов обусловлена вторичными бета- частицами, фотоны являются косвенно ионизирующим излучением. [8]
Излученные фотоны называются гамма-лучами, если они возникают в результате ядерной реакции , распада субатомных частиц или радиоактивного распада в ядре. Их называют рентгеновскими лучами, если они производятся вне ядра. Общий термин «фотон» используется для описания обоих. [9] [10] [11]
Рентгеновские лучи обычно имеют более низкую энергию, чем гамма-лучи, и по старому соглашению граница определялась как длина волны 10-11 м (или энергия фотонов 100 кэВ). [12] Этот порог был обусловлен историческими ограничениями старых рентгеновских трубок и низкой осведомленностью об изомерных переходах . Современные технологии и открытия показали перекрытие между рентгеновскими лучами и гамма-энергиями. Во многих областях они функционально идентичны, различаясь для наземных исследований только происхождением излучения. Однако в астрономии, где происхождение излучения часто не может быть надежно определено, было сохранено старое разделение энергии, при этом рентгеновские лучи определены как находящиеся в диапазоне от 120 эВ до 120 кэВ, а гамма-лучи - как имеющие любую энергию выше 100-120 кэВ. , независимо от источника. Большинство астрономической « гамма-астрономия » , как известно , не исходит в ядерных радиоактивных процессах , но, скорее, результат таких процессов , как те , которые производят астрономические рентгеновские лучи, за исключением движимого гораздо более энергичными электронами.
Фотоэлектрическое поглощение является доминирующим механизмом в органических материалах для энергий фотонов ниже 100 к, характерных для классической рентгеновской трубки возникла рентгеновские лучи . При энергиях выше 100 кэВ фотоны ионизируют вещество в большей степени за счет эффекта Комптона , а затем косвенно за счет образования пар при энергиях выше 5 МэВ. На прилагаемой диаграмме взаимодействия показаны два последовательно происходящих комптоновского рассеяния. При каждом рассеянии 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 в материалах Федеральной комиссии по связи США ионизирующее излучение определяется как излучение с энергией фотонов более 10 эВ (эквивалентно длине волны в дальнем ультрафиолете 124 нанометра ). [13] Примерно это соответствует как первой энергии ионизации кислорода, так и энергии ионизации водорода, обе около 14 эВ. [14] В некоторых ссылках Агентства по охране окружающей среды ионизация типичной молекулы воды при энергии 33 эВ упоминается [15] как соответствующий биологический порог для ионизирующего излучения: это значение представляет так называемое значение W , в разговорной речи имя для МКРЕ «ы средней энергии , затрачиваемой в газе на ионные пары , образованной , [16] , который сочетает в себе энергию ионизации плюс потерю энергии в другие процессы , такие как возбуждение . [17] При длине волны 38 нанометров для электромагнитного излучения 33 эВ близко к энергии при обычном переходе длины волны 10 нм между крайним ультрафиолетом и рентгеновским излучением, который происходит при примерно 125 эВ. Таким образом, рентгеновское излучение всегда ионизирующее, но только крайнее ультрафиолетовое излучение может считаться ионизирующим во всех определениях.
Нейтронов
Нейтроны имеют нейтральный электрический заряд, который часто неправильно понимают как нулевой электрический заряд, и поэтому часто не вызывают непосредственно ионизацию за один шаг или взаимодействие с веществом. Однако быстрые нейтроны будут взаимодействовать с протонами в водороде через ЛПЭ , и этот механизм рассеивает ядра материалов в целевой области, вызывая прямую ионизацию атомов водорода. Когда нейтроны сталкиваются с ядрами водорода, возникает протонное излучение (быстрые протоны). Эти протоны сами ионизируются, потому что они обладают высокой энергией, заряжены и взаимодействуют с электронами в веществе.
Нейтроны, которые поражают другие ядра, помимо водорода, будут передавать меньше энергии другой частице, если LET действительно происходит. Но для многих ядер, пораженных нейтронами, происходит неупругое рассеяние . Произойдет ли упругое или неупругое рассеяние, зависит от скорости нейтрона, быстрого или теплового, или где-то посередине. Он также зависит от поражаемых ядер и нейтронного сечения .
При неупругом рассеянии нейтроны легко поглощаются в виде ядерной реакции, называемой захватом нейтронов, которая объясняется нейтронной активацией ядра. При таком взаимодействии нейтронов с большинством типов материи обычно образуются радиоактивные ядра. Например, обильное ядро кислорода-16 подвергается нейтронной активации, быстро распадается за счет испускания 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 захват быстрых нейтронов с нейтронами> 11 МэВ)
16 N → 16 O + β - (Время распада 1/2 = 7,13 с)
Этот высокоэнергетический β - далее быстро взаимодействует с другими ядрами, испуская высокоэнергетический γ через тормозное излучение.
Реакция 16 O (n, p) 16 N, хотя и не является благоприятной, является основным источником рентгеновских лучей, испускаемых охлаждающей водой реактора с водой под давлением, и вносит огромный вклад в излучение, генерируемое ядерным реактором с водяным охлаждением, в то время как операционная.
Для лучшей защиты от нейтронов используются углеводороды с большим содержанием водорода .
В делящихся материалах вторичные нейтроны могут вызывать цепные ядерные реакции , вызывая большую ионизацию дочерних продуктов деления.
Вне ядра свободные нейтроны нестабильны и имеют среднее время жизни 14 минут 42 секунды. Свободные нейтроны распадаются с испусканием электрона и электронного антинейтрино, чтобы стать протоном, процесс, известный как бета-распад : [18]
На диаграмме рядом 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 . У таких фотонов всегда достаточно энергии, чтобы считаться ионизирующим излучением.
Физические эффекты
Ядерные эффекты
Нейтронное излучение, альфа-излучение и чрезвычайно мощное гамма-излучение (> ~ 20 МэВ) могут вызывать ядерную трансмутацию и индуцированную радиоактивность . Соответствующими механизмами являются активация нейтронов , альфа-поглощение и фотораспад . Достаточно большое количество трансмутаций может изменить макроскопические свойства и привести к тому, что мишени сами станут радиоактивными, даже после удаления исходного источника.
Химические эффекты
Ионизация молекул может привести к радиолизу (разрыву химических связей) и образованию высокоактивных свободных радикалов . Эти свободные радикалы могут затем вступить в химическую реакцию с соседними материалами даже после прекращения первоначального излучения. (например, озоновый крекинг полимеров озоном, образующимся при ионизации воздуха). Ионизирующее излучение может также ускорить существующие химические реакции, такие как полимеризация и коррозия, за счет увеличения энергии активации, необходимой для реакции. Оптические материалы портятся под действием ионизирующего излучения.
Ионизирующее излучение высокой интенсивности в воздухе может вызывать видимое свечение ионизированного воздуха контрольного голубовато-пурпурного цвета. Свечение можно наблюдать, например, во время аварий , связанных с критичностью , вокруг грибовидных облаков вскоре после ядерного взрыва или внутри поврежденного ядерного реактора, например, во время Чернобыльской катастрофы .
Одноатомные жидкости, например, расплавленный натрий , не имеют химических связей, которые нужно 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 фтороводород, будут быстро и самопроизвольно преобразовываться после ионизации.
Электрические эффекты
Ионизация материалов временно увеличивает их проводимость, что потенциально может привести к повреждению уровней тока. Это особая опасность для полупроводниковой микроэлектроники, используемой в электронном оборудовании, с последующими токами, вызывающими ошибки в работе или даже необратимыми повреждениями устройств. Устройства, предназначенные для сред с высоким уровнем радиации, таких как ядерная промышленность и внеатмосферные (космические) приложения, могут иметь радиационно трудные условия для противодействия таким воздействиям за счет конструкции, выбора материалов и методов изготовления.
Протонное излучение, обнаруженное в космосе, также может вызывать одиночные сбои в цифровых схемах. Электрические эффекты ионизирующего излучения используются в газонаполненных детекторах излучения, например, счетчике Гейгера-Мюллера или ионной камере .
Влияние на здоровье
Наиболее неблагоприятные последствия воздействия ионизирующего излучения на здоровье можно разделить на две общие категории:
- детерминированные эффекты (вредные тканевые реакции) в значительной степени из-за гибели или нарушения функционирования клеток в результате высоких доз радиационных ожогов .
- стохастические эффекты, т.е. рак и наследственные эффекты, включая развитие рака у подвергшихся воздействию людей вследствие мутации соматических клеток или наследственное заболевание у их потомства из-за мутации репродуктивных (зародышевых) клеток. [19]
Наиболее частым воздействием является стохастическая индукция рака с латентным периодом в годы или десятилетия после заражения. Так , например, ионизирующее излучение является одной из причин хронического миелолейкоза , [20] [21] [22] Несмотря на то, что большинство людей с ХМЛ не подвергались воздействию радиации. [21] [22] Механизм, с помощью которого это происходит, хорошо изучен, но количественные модели, предсказывающие уровень риска, остаются противоречивыми. [ необходима цитата ]
Наиболее широко распространенная модель - линейная беспороговая модель (LNT) - утверждает, что частота раковых заболеваний, вызванных ионизирующим излучением, увеличивается линейно с эффективной дозой излучения со скоростью 5,5% на зиверт . [23] Если это верно, то естественный фоновый радиационный фон является наиболее опасным источником радиации для здоровья населения, за которым следует медицинская визуализация. Другими стохастическими эффектами ионизирующего излучения являются тератогенез , снижение когнитивных функций и сердечные заболевания . [ необходима цитата ]
Хотя ДНК всегда подвержена повреждению ионизирующим излучением, молекула ДНК также может быть повреждена излучением с энергией, достаточной для возбуждения определенных молекулярных связей с образованием димеров пиримидина . 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) и близка к тому же уровню энергии, который может вызвать солнечный ожог незащищенной кожи в результате фотореакций в коллагене и (в диапазоне УФ-В ) также повредить в ДНК (например, димеры пиримидина ). 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. Доказано, что до некоторой степени видимый свет, а также ультрафиолет A (UVA), который наиболее близок к видимой энергии, приводят к образованию активных форм кислорода в коже, которые вызывают косвенное повреждение, поскольку это молекулы с электронным возбуждением, которые могут вызывать реактивные повреждения, хотя они не вызывают солнечных ожогов (эритемы). [24] Как и ионизационное повреждение, все эти эффекты на коже выходят за рамки тех, которые вызываются простыми тепловыми эффектами. [ необходима цитата ]
Измерение радиации
В таблице ниже показаны величины излучения и дозы в единицах СИ и других единицах.
Количество | Детектор | Единицы CGS | Единицы СИ | Прочие единицы |
---|---|---|---|---|
Скорость распада | кюри | беккерель | ||
Поток частиц | Счетчик Гейгера , пропорциональный счетчик , сцинтиллятор | считает/см 2 · секунда | считает/метр 2 · секунда | отсчетов в минуту , частиц на см 2 в секунду |
Плотность энергии | термолюминесцентный дозиметр , пленочный бейдж-дозиметр | МэВ/см 2 | джоуль/метр 2 | |
Энергия луча | пропорциональный счетчик | электронвольт | джоуль | |
Линейная передача энергии | производная величина | МэВ/см | Джоуль/метр | кэВ/мкм |
Kerma | ионизационная камера , полупроводниковый детектор , кварцевый волоконный дозиметр , измеритель радиоактивных осадков Кирни | ESU/см 3 | серый ( джоуль/кг) | рентген |
Поглощенная доза | калориметр | рад | серый | представитель |
Эквивалентная доза | производная величина | rem | зиверт ( джоуль/кг× W R ) | |
Эффективная доза | производная величина | rem | зиверт ( джоуль/кг× Ш Р × Ш Т ) | BRET |
Предполагаемая доза | производная величина | rem | зиверт | банановая эквивалентная доза |
Использование радиации
Ионизирующее излучение используется во многих промышленных, военных и медицинских целях. Его полезность должна быть уравновешена его опасностями - компромисс, который со временем изменился. Например, одно время помощники в обувных магазинах использовали рентгеновские лучи для проверки размера детской обуви , но эта практика была прекращена, когда стали лучше понимать риски ионизирующего излучения. [25]
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 приборов. Радиоактивные индикаторы используются в медицине и промышленности, 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 стерильных насекомых . Измерения углерода-14 можно использовать для датировки останков давно умерших организмов (например, древесины, которой тысячи лет).
Источники радиации
Ионизирующее излучение возникает в результате ядерных реакций, ядерного распада, очень высокой температуры или 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) расписаны виды воздействия на человека.
Публичное разоблачение | ||
Природные источники | Нормальные случаи | Космическое излучение |
Земная радиация | ||
Расширенные источники | Добыча и выплавка металлов | |
Фосфатная промышленность | ||
Добыча угля и производство электроэнергии из угля | ||
Бурение на нефть и газ | ||
Редкоземельные и титана диоксид промышленности | ||
Циркониевая и керамическая промышленность | ||
Применение радия и тория | ||
Другие ситуации воздействия | ||
Искусственные источники | Мирные цели | Ядерная энергетика производство |
Перевозка ядерных и радиоактивных материалов | ||
Применение, отличное от ядерной энергетики | ||
Военные цели | Ядерные испытания | |
Остатки в окружающей среде. Радиоактивные осадки | ||
Исторические ситуации | ||
Воздействие несчастных случаев | ||
Профессиональное радиационное облучение | ||
Природные источники | Облучение экипажей и космических экипажей космическими лучами | |
Риски в добывающих и перерабатывающих отраслях | ||
Газовая и нефтедобывающая промышленность | ||
Облучение радоном на рабочих местах, кроме шахт | ||
Искусственные источники | Мирные цели | Атомная энергетика |
Медицинское использование излучения | ||
Промышленное использование излучения | ||
Разное использование | ||
Военные цели | Другие работники, подвергшиеся воздействию | |
Источник НКДАР ООН 2008 г., приложение B извлечено 2011-7-4 |
Международная комиссия по радиологической защите управляет международной системой радиологической защиты, которая устанавливает рекомендуемые пределы для поглощения дозы.
Фоновое излучение
Фоновое излучение исходит как от естественных, так и от антропогенных источников.
Среднее глобальное воздействие ионизирующего излучения на людей составляет около 3 мЗв (0,3 бэр) в год, 80% из которых исходит от природы. Остальные 20% являются результатом воздействия искусственных источников излучения, в первую очередь, в результате медицинской визуализации . Среднее антропогенное облучение намного выше в развитых странах, в основном из-за компьютерной томографии и ядерной медицины .
Естественное фоновое излучение происходит из пяти основных источников: космическое излучение, солнечное излучение, внешние земные источники, излучение в организме человека и радон .
Уровень фона 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 . [26] Самый высокий фоновый радиационный фон в населенных пунктах наблюдается в Рамсарской конвенции , в основном из-за природного радиоактивного известняка, используемого в качестве строительного материала. Около 2000 наиболее облученных жителей получают среднюю дозу облучения 10 мГр в год (1 рад / год), в десять раз превышающую рекомендованный МКРЗ предел для облучения населения от искусственных источников. [27] Рекордные уровни были обнаружены в доме, где эффективная доза от внешнего излучения составляла 135 мЗв / год (13,5 бэр / год), а ожидаемая доза от радона составляла 640 мЗв / год (64,0 бэр / год). [28] Этот уникальный случай более чем в 200 раз превышает средний мировой фон. Несмотря на высокий уровень радиационного фона, который получают жители Рамсарской конвенции, нет убедительных доказательств того, что они подвергаются большему риску для здоровья. Рекомендации МКРЗ являются консервативными пределами и могут представлять собой завышенное представление о фактическом риске для здоровья. Обычно организация по радиационной безопасности рекомендует самые консервативные пределы, предполагая, что лучше проявить осторожность. Этот уровень осторожности уместен, но его не следует использовать для создания опасений по поводу радиационной опасности. Радиационная опасность от фонового излучения может быть серьезной угрозой, но более вероятно, что это небольшой общий риск по сравнению со всеми другими факторами окружающей среды.
Космическое излучение
Земля и все живые существа на ней постоянно подвергаются бомбардировке радиацией за пределами нашей солнечной системы. Это космическое излучение состоит из релятивистских частиц: положительно заряженных ядер (ионов) от 1 а.е.м. протонов (около 85%) до ядер железа 26 а.е.м. и даже больше. (Частицы с высоким атомным числом называются ионами HZE .) Энергия этого излучения может намного превышать энергию, которую могут создать люди, даже в самых больших ускорителях частиц (см. Космические лучи сверхвысокой энергии ). Это излучение взаимодействует в атмосфере, создавая вторичное излучение, которое льется дождем, включая рентгеновские лучи , мюоны , протоны , антипротоны , альфа-частицы , пионы , электроны , позитроны и нейтроны .
Доза от космической радиации в значительной степени от мюонов, нейтронов и электронов, с мощностью дозы , которая варьируется в различных частях мира , и в значительной степени на основе геомагнитного поля, высоту и солнечный цикле. Мощность дозы космического излучения на самолетах настолько высока, что, согласно отчету НКДАР ООН 2000 года (см. Ссылки внизу), работники летных экипажей авиакомпаний получают в среднем больше дозы, чем любой другой работник, в том числе на атомных электростанциях. Экипажи авиакомпаний получают больше космических лучей, если они обычно работают по маршрутам полета, которые ведут их близко к Северному или Южному полюсу на больших высотах, где этот тип излучения максимален.
Космические лучи также включают гамма-лучи высокой энергии, которые намного превосходят энергии, производимые солнечными или человеческими источниками.
Внешние земные источники
Большинство материалов на Земле содержат некоторые радиоактивные атомы , даже в небольших количествах. Большая часть дозы, полученной от этих источников, исходит от источников гамма-излучения в строительных материалах или камнях и почве, когда они находятся снаружи. Основными радионуклидами, вызывающими озабоченность по поводу земной радиации, являются изотопы калия , урана и тория . С момента образования Земли активность каждого из этих источников снижается.
Внутренние источники излучения
Все земные материалы, которые являются строительными блоками жизни, содержат радиоактивный компонент. По мере того, как 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 высокоэнергетические гамма-лучи, которые можно измерить с помощью чувствительных электронных систем измерения излучения. Эти внутренние источники излучения вносят вклад в общую дозу облучения человека от естественного фонового излучения .
Радон
Важным источником естественной радиации является газ радон , который непрерывно просачивается из коренных пород, но из-за своей высокой плотности может накапливаться в плохо вентилируемых домах.
Радон-222 - это газ, образующийся при α-распаде радия- 226. Оба являются частью цепочки распада природного урана . Уран находится в почве по всему миру в различных концентрациях. Радон - самая большая причина рака легких среди некурящих и вторая по значимости причина в целом. [29]
Радиационное воздействие
Есть три стандартных способа ограничить воздействие:
- Время : Для людей, подвергающихся облучению в дополнение к естественному фоновому излучению, ограничение или минимизация времени воздействия снизит дозу от источника излучения.
- Расстояние : интенсивность излучения резко уменьшается с расстоянием по закону обратных квадратов (в абсолютном вакууме). [30]
- Экранирование : Воздуха или кожи может быть достаточно для существенного ослабления альфа- и бета-излучения. Барьеры из свинца , бетона или воды часто используются для обеспечения эффективной защиты от более проникающих частиц, 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. Есть специальные пластиковые экраны, которые задерживают бета-частицы, а воздух задерживает большинство альфа-частиц. Эффективность материала для защиты от излучения определяется его половинной толщиной , толщиной материала, которая снижает излучение вдвое. Это значение зависит от самого материала, а также от 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 это применимо к природным и искусственным источникам. Для искусственных источников использование защитной оболочки является основным инструментом снижения поглощения дозы и эффективно сочетает экранирование и изоляцию от открытой среды. Радиоактивные материалы содержатся в минимально возможном пространстве и хранятся вне окружающей среды, например, в горячей камере (для излучения) или перчаточном ящике (для загрязнения). Радиоактивные изотопы для медицинского использования, например, распределяются в закрытых помещениях для обработки, обычно в перчаточных боксах, в то время как ядерные реакторы работают в закрытых системах с множеством барьеров, удерживающих радиоактивные материалы. В рабочих помещениях, горячих камерах и перчаточных боксах давление воздуха немного снижено, чтобы предотвратить утечку переносимого по воздуху материала в открытую среду.
В случае ядерных конфликтов или гражданских ядерных выбросов меры гражданской обороны могут помочь снизить облучение населения за счет уменьшения попадания изотопов в организм и профессионального облучения. Один из них - это таблетки йодида калия (KI), которые блокируют поглощение радиоактивного йода (одного из основных радиоизотопных продуктов деления ядер ) щитовидной железой человека.
Профессиональное воздействие
Лица, подвергающиеся профессиональному облучению, контролируются в рамках нормативно-правовой базы страны, в которой они работают, и в соответствии с любыми местными ограничениями ядерной лицензии. Обычно они основаны на рекомендациях Международной комиссии по радиологической защите . МКРЗ рекомендует ограничить искусственное облучение. Для профессионального облучения предел составляет 50 мЗв за один год и максимум 100 мЗв за последовательный пятилетний период. [23]
Радиационное облучение этих людей тщательно контролируется с использованием дозиметров и других инструментов радиологической защиты, которые будут измерять концентрацию радиоактивных частиц, показания дозы гамма-излучения и радиоактивное загрязнение . Ведется юридическая запись дозы.
Примеры деятельности, вызывающей озабоченность в связи с профессиональным облучением, включают:
- Экипаж авиакомпании (наиболее уязвимое население)
- Промышленная радиография
- Медицинская радиология и ядерная медицина [31] [32]
- Добыча урана
- Атомная электростанция и переработка ядерного топлива завода рабочие
- Исследовательские лаборатории (государственные, университетские и частные)
Некоторые искусственные источники излучения воздействуют на организм прямым излучением, известным как эффективная доза (излучение), в то время как другие принимают форму радиоактивного загрязнения и облучают организм изнутри. Последняя известна как ожидаемая доза .
Публичное разоблачение
Медицинские процедуры, такие как диагностическое рентгеновское излучение , ядерная медицина и лучевая терапия , на сегодняшний день являются наиболее значительным источником антропогенного облучения населения. Некоторые из основных используемых радионуклидов : I-131 , Tc-99m , Co-60 , Ir-192 и Cs-137 . Население также подвергается облучению от потребительских товаров, таких как табак ( полоний- 210), горючее топливо (газ, уголь и т. Д.), Телевизоры , светящиеся часы и циферблаты ( тритий ), рентгеновские системы аэропортов , детекторы дыма ( америций ), электронные лампы и мантии газовых фонарей ( торий ).
В меньшей степени представители населения подвергаются облучению от ядерного топливного цикла, который включает в себя всю последовательность от обработки урана до захоронения отработавшего топлива. Последствия такого воздействия не были надежно измерены из-за очень низких доз. Оппоненты используют модель рака на дозу, чтобы утверждать, что такая деятельность вызывает несколько сотен случаев рака в год, что является применением широко принятой линейной беспороговой модели (LNT).
Международная комиссия по радиологической защите рекомендует ограничить искусственное облучение населения в среднем до 1 мЗв (0,001 Зв) эффективной дозы в год, не считая медицинского и профессионального облучения. [23]
В ядерной войне гамма-лучи как от первоначального взрыва оружия, так и от радиоактивных осадков будут источниками радиационного облучения.
Космический полет
Массивные частицы беспокоят астронавтов за пределами магнитного поля Земли, которые могут получить солнечные частицы от солнечных протонных событий (SPE) и галактические космические лучи от космических источников. Эти высокоэнергетические заряженные ядра блокируются магнитным полем Земли, но представляют серьезную проблему для здоровья астронавтов, путешествующих на Луну и в любые отдаленные места за пределами земной орбиты. В частности, известно, что высокозаряженные ионы HZE чрезвычайно опасны, хотя протоны составляют подавляющее большинство галактических космических лучей. Свидетельства указывают на уровни излучения SPE в прошлом, которые были бы смертельными для незащищенных астронавтов. [33]
Путешествие по воздуху
Путешествие по воздуху подвергает людей в самолетах воздействию повышенной радиации из космоса по сравнению с уровнем моря, включая космические лучи и солнечные вспышки . [34] [35] Такие программы, как Epcard , CARI, SIEVERT, PCAIRE, представляют собой попытки имитировать воздействие на экипажей и пассажиров. [35] Пример измеренной дозы (не моделируемой дозы) составляет 6 мкЗв в час из лондонского аэропорта Хитроу в токийский район Нарита по высокоширотному полярному маршруту. [35] Однако дозировки могут варьироваться, например, в периоды высокой солнечной активности. [35] Федеральное управление гражданской авиации США требует от авиакомпаний предоставлять летному экипажу информацию о космическом излучении, а рекомендация Международной комиссии по радиологической защите для населения - не более 1 мЗв в год. [35] Кроме того, многие авиакомпании не допускают беременных членов летных экипажей в соответствии с европейской директивой. [35] FAA рекомендует общий предел 1 мЗв для беременности и не более 0,5 мЗв в месяц. [35] Информация, первоначально основанная на Основах аэрокосмической медицины, опубликованных в 2008 году. [35]
Предупреждающие знаки радиационной опасности
Опасные уровни ионизирующего излучения обозначены знаком трилистника на желтом фоне. Обычно они размещаются на границе зоны радиационного контроля или в любом месте, где уровни радиации значительно превышают фон из-за вмешательства человека.
Красный предупреждающий символ ионизирующего излучения (ISO 21482) был выпущен в 2007 году и предназначен для источников МАГАТЭ категорий 1, 2 и 3, определенных как опасные источники, способные привести к смерти или серьезным травмам, включая пищевые облучатели, аппараты телетерапии для лечения рака и промышленную радиографию. единицы измерения. Этот символ должен быть размещен на устройстве, в котором находится источник, в качестве предупреждения не разбирать устройство и не приближаться к нему. Это не будет видно при нормальном использовании, только если кто-то попытается разобрать устройство. Этот символ не будет располагаться на дверях входа в здание, транспортных упаковках или контейнерах. [36]
Символ опасности ионизирующего излучения
Знак опасности радиоактивности ISO 2007 года, предназначенный для источников МАГАТЭ категорий 1, 2 и 3, определенных как опасные источники, способные привести к смерти или серьезным травмам. [36]
Смотрите также
- Европейский комитет по радиационному риску
- Международная комиссия по радиологической защите - управляет Международной системой радиологической защиты.
- Ионометр
- Облученная почта
- Национальный совет по радиационной защите и измерениям - национальная организация США
- Ядерная безопасность
- Ядерная семиотика
- Энергия излучения
- Воздействие (радиация)
- Радиационный гормезис
- Радиационная физика
- Радиационная защита
- Конвенция о радиационной защите, 1960 г.
- Радиационная защита пациентов
- Зиверт
- Лечение инфекций после случайного или враждебного воздействия ионизирующего излучения
Рекомендации
- ^ «Ионизирующее излучение, воздействие на здоровье и меры защиты» . Всемирная организация здравоохранения . 29 апреля 2016 г.
- ^ Вудсайд, Гейл (1997). Инженерия окружающей среды, безопасности и здоровья . США: John Wiley & Sons. п. 476. ISBN. 978-0471109327. Архивировано 19 октября 2015 года.
- ^ Stallcup, Джеймс Г. (2006). OSHA: Упрощенные правила электросвязи в высоковольтных сетях Stallcup . США: Jones & Bartlett Learning. п. 133. ISBN. 978-0763743475. Архивировано 17 октября 2015 года.
- ^ Райан, Джули (5 января 2012 г.). «Ионизирующее излучение: хорошее, плохое и уродливое» . Журнал следственной дерматологии . 132 (3 0 2): 985–993. DOI : 10.1038 / jid.2011.411 . PMC 3779131 . PMID 22217743 .
- ^ Один кг воды на квадратный сантиметр составляет 10 метров воды. Архивировано 1 января 2016 года в Wayback Machine.
- ^ «Бета-распад» . Lbl.gov . 9 августа 2000 года Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 10 апреля 2014 года .
- ^ Вклад ионов с высоким зарядом и энергией (HZE) во время события солнечных частиц 29 сентября 1989 г. Kim, Myung-Hee Y .; Уилсон, Джон В .; Cucinotta, Francis A .; Simonsen, Lisa C .; Этвелл, Уильям; Бадави, Фрэнсис Ф .; Миллер, Джек, Космический центр имени Джонсона НАСА; Исследовательский центр Лэнгли, май 1999 г.
- ^ Европейский центр технологической безопасности. «Взаимодействие излучения с веществом» (PDF) . Радиационная опасность . Архивировано из оригинального (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 5 ноября 2012 года .
- ^ Фейнман, Ричард; Роберт Лейтон; Мэтью Сэндс (1963). Лекции Фейнмана по физике, Том 1 . США: Аддисон-Уэсли. С. 2–5 . ISBN 978-0-201-02116-5.
- ^ L'Annunziata, Майкл; Мохаммад Барадей (2003). Справочник по радиоактивному анализу . Академическая пресса. п. 58. ISBN 978-0-12-436603-9.
- ^ Группен, Клаус; Г. Коуэн; С.Д. Эйдельман; Т. Стро (2005). Физика астрономических частиц . Springer. п. 109. ISBN 978-3-540-25312-9.
- ^ Чарльз Ходжман, изд. (1961). CRC Справочник по химии и физике, 44-е изд . США: Chemical Rubber Co., стр. 2850.
- ^ Роберт Ф. Кливленд младший; Джерри Л. Улчек (август 1999 г.). «Вопросы и ответы о биологических эффектах и потенциальных опасностях радиочастотных электромагнитных полей» (PDF) (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Федеральная комиссия по связи OET (Управление инженерии и технологий). Архивировано (PDF) из оригинала на 2011-10-20 . Проверено 7 декабря 2011 .
- ^ Джим Кларк (2000). «Энергия ионизации» . Архивировано 26 ноября 2011 года . Проверено 7 декабря 2011 .
- ^ «Ионизирующее и неионизирующее излучение» . Радиационная защита . EPA. 2014-07-16. Архивировано из оригинала на 2015-02-12 . Проверено 9 января 2015 .
- ^ «Основные величины и единицы ионизирующего излучения (Отчет 85 ICRU)» . Журнал ICRU . 11 (1). 2011. Архивировано 20 апреля 2012 года.
- ^ Хао Пэн. "Газонаполненные детекторы" (PDF) . Конспект лекций для MED PHYS 4R06 / 6R03 - Радиационная и радиоизотопная методология . Университет Макмастера, факультет медицинской физики и радиационных наук. Архивировано из оригинального (PDF) 17 июня 2012 года.
- ^ W.-M. Яо; и другие. (2007). "Сводная таблица данных по группам частиц по барионам" (PDF) . J. Phys. G . 33 (1). Архивировано из оригинального (PDF) 10 сентября 2011 года . Проверено 16 августа 2012 .
- ^ МКРЗ 2007 , пункт 55.
- ^ Huether, Sue E .; Маккэнс, Кэтрин Л. (22 января 2016 г.). Понимание патофизиологии (6-е изд.). Сент-Луис, Миссури: Эльзевьер. п. 530. ISBN 9780323354097. OCLC 740632205 .
- ^ а б «Хронический миелоидный лейкоз (ХМЛ)» . Общество лейкемии и лимфомы . 2015-02-26 . Проверено 22 сентября 2019 .
- ^ а б «Хронический миелолейкоз (ХМЛ). Хронический миелолейкоз (ХМЛ)» . Медицинская энциклопедия Medline Plus . Национальная медицинская библиотека США . Проверено 22 сентября 2019 .
- ^ а б в МКРЗ 2007 .
- ^ Либель Ф, Каур С, Руволо Э, Коллиас Н, Саутхолл, Мэриленд (2012). «Облучение кожи видимым светом индуцирует активные формы кислорода и ферменты, разрушающие матрикс» . J. Invest. Дерматол . 132 (7): 1901–1907. DOI : 10.1038 / jid.2011.476 . PMID 22318388 .
- ^ Льюис, Леон; Каплан, Пол Э (1 января 1950 г.). «Обувной флюороскоп как радиационная опасность» . Калифорнийская медицина . 72 (1): 26–30 [27]. PMC 1520288 . PMID 15408494 .
- ^ Научный комитет ООН по действию атомной радиации (2000 г.). «Приложение Б» . Источники и эффекты ионизирующего излучения . т. 1. Организация Объединенных Наций. п. 121. Архивировано из оригинала 4 августа 2012 года . Проверено 11 ноября 2012 года .
|volume=
есть дополнительный текст ( справка ) - ^ Мортазави, SMJ; П.А. Карамб (2005). «Очевидное отсутствие радиационной восприимчивости среди жителей района с высоким радиационным фоном в Рамсарской области, Иран: можем ли мы ослабить наши стандарты?». Радиоактивность в окружающей среде . 7 : 1141–1147. DOI : 10.1016 / S1569-4860 (04) 07140-2 . ISBN 9780080441375. ISSN 1569-4860 .
- ^ Сохраби, Мехди; Бабапуран, Можган (2005). «Новая оценка доз для населения от внутреннего и внешнего облучения в районах естественной радиации с низким и повышенным уровнем излучения Рамсарской конвенции, Иран». Материалы 6-й Международной конференции по высоким уровням естественной радиации и радоновых территорий . 1276 : 169–174. DOI : 10.1016 / j.ics.2004.11.102 .
- ^ «Риски для здоровья» . Радон . EPA. Архивировано из оригинала на 2008-10-20 . Проверено 5 марта 2012 .
- ^ Кампгаузен KA, Лоуренс RC. «Принципы лучевой терапии». Архивировано 15 мая 2009 г.в Wayback Machine в Паздур Р., Вагман Л.Д., Кампхаузен К.А., Хоскинс В.Дж. (ред.) Управление раком: многопрофильный подход. Архивировано 4 октября 2013 г. в Wayback Machine . 11 изд. 2008 г.
- ^ Паттисон Дж. Э., Бахманн Диджей, Беддо А. Х. (1996). «Гамма-дозиметрия на поверхности цилиндрических контейнеров». Журнал радиологической защиты . 16 (4): 249–261. Bibcode : 1996JRP .... 16..249P . DOI : 10.1088 / 0952-4746 / 16/4/004 .
- ^ Паттисон, Дж. Э. (1999). «Пальцевые дозы, полученные во время инъекций Самария-153». Физика здоровья . 77 (5): 530–5. DOI : 10.1097 / 00004032-199911000-00006 . PMID 10524506 .
- ^ «Супервспышки могут убить незащищенных космонавтов» . Новый ученый. 21 марта 2005 г. Архивировано 27 марта 2015 г.
- ^ «Эффективная доза» . НАИРАС (Прогноз системы атмосферного ионизирующего излучения) . Архивировано 5 марта 2016 года.
- ^ Б с д е е г ч Джеффри Р. Дэвис; Роберт Джонсон; Ян Штепанек (2008). Основы аэрокосмической медицины . С. 221–230. ISBN 9780781774666 - через Google Книги.
- ^ а б «Запущен новый символ, предупреждающий общественность о радиационной опасности» . Международное агентство по атомной энергии. 15 февраля 2007 года архивации от оригинала на 2007-02-17.
Литература
- МКРЗ (2007). В 2007 Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите . Летопись МКРЗ . Публикация МКРЗ 103. 37 . ISBN 978-0-7020-3048-2. Архивировано из оригинального 16 ноября 2012 года . Проверено 17 мая 2012 года .
Внешние ссылки
- Комиссия по ядерному регулированию регулирует большинство коммерческих источников излучения и немедицинское облучение в США:
- Банк данных по опасным веществам NLM - Ионизирующее излучение
- Доклад Научного комитета Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации за 2000 год Том 1: Источники , Том 2: Эффекты
- Руководство для начинающих по измерению ионизирующего излучения
- Майк Хэнли. «XrayRisk.com: Калькулятор радиационного риска. Рассчитайте дозу радиации и риск рака» . (из компьютерной томографии и рентгеновских снимков).
- Бесплатный курс радиационной безопасности
- Веб-сайт общественного образования Общества физики здоровья
- Основные факты о радиационной резервации Ок-Ридж