Ветеринарная радиобиология

Полупроводниковые и сцинтилляционные счетчики.

Примерно так же регистрируют излучения в сполупроводниковом детекторе, но в этом случае поглощение происходит не в газе, а в полупроводниковых материалах.

Проникающее излучение - г-кванты, разменивая свою энергию с образованием электронов, в газе редко производят ионизацию. Обычно при этом ионов так мало, что зарегистрировать это излучение ионизационным прибором трудно. В этом случае применяют большие и очень плотные детекторы - специальные полупроводниковые или сцинтилляционные. В сцинтилляторах прохождение гамма-квантов вызывает световые вспышки, которые усиливаются и преобразуются в электрические импульсы фотоэлектронным умножителем.

Сцинтилляционные счетчики обладают более высокой эффективностью счета (до 100%) и разрешающей способностью по сравнению с газоразрядными счетчиками. Разрешающая способность сцинтилляционных счетчиков достигает 10-5 с при регистрации альфа-частиц и 10-8 с при регистрации бета-частиц и гамма-квантов. По составы сцинтилляторы делятся на неорганические и органические, а по агрегатному состоянию - на твердые, пластические, жидкие и газовые.

Полупроводниковые детекторы представляют собой твердотельную ионизационную камеру, в которой роль носителей электрического заряда выполняют электроны и так называемые дырки. Действие детекторов основано на свойствах полупроводников проводить электрический импульс под действием ионизирующих излучений. Из всех полупроводников наиболее пригодны для детекторов монокристаллы германия и кремния.

Преимущество полупроводниковых детекторов состоит в том, что можно изготовлять такие детекторы очень малых размеров, поскольку толщина рабочего слоя измеряется десятками или сотнями мирометров, а полезная площадь может составлять около 1 см2. Вместе с тем они имеют и недостатки. Электропроводность таких детекторов изменяется при нагревании, поэтому во время регистрации излучений полупроводник надо охлаждать жидким азотом. Сейчас выращивают кристаллы особо чистого германия, которые могут храниться и работать при комнатной температуре без ухудшения характеристик.

Для каждого вида излучений подбирается наиболее подходящий детектор. При этом большое значение имеет форма и величина измеряемого образца. Если в нем содержится цезий-137, испускающий гамма-кванты, особых требований к образцу не предъявляется, так как кванты легко проникают во вне из любой его точки. Но в-частицы стронция -90 поглощаются одним-двумя миллиметрами вещества, так что из всего объема измеряемого объекта «работает» лишь тонкий поверхностный слой. б-частицы плутония вообще не могут преодолеть более нескольких микрон, и в этом случае требуется очень тонкий срез либо необходима специальная предварительная радиохимическая обработка образца (сжигание, растворение, нанесение на подложку). Впрочем, регистрация стронция тоже производится после соответствующих радиохимических процедур.

Из-за малых пробегов частиц стенки детекторов тоже должны быть очень тонкими, чтобы излучение могло попасть в детектирующее вещество и вызвать появление электрического импульса. Активность определяют по излучению, которое сопровождает радиоактивный распад: б-, в-частицы и (или) г-кванты.

Из радионуклидов чернобыльского выброса, которые в настоящее время представляют наибольшую радиобиологическую опасность, г-кванты испускают при распаде только изотопы цезия. Их легче регистрировать, и именно цезий контролируется в образцах почвы, воды продуктах питания, для которых установлены нормы содержания радиоактивности (ВДУ).

2. Приборы для измерения ионизирующих излучений

Приборы для измерения ионизирующих излучений можно условно разделить на три группы: радиометры, дозиметры и спектрометры.

Радиометрами называются приборы, с помощью которых проводится проверка на радиоактивность в Бк/кг или Бк/л измеряемого вещества по сопутствующему излучению. Радиометры предназначены для измерения активности радиоактивных веществ, плотности потока ионизирующих излучений, удельной и объемной активности газов, жидкостей, аэрозолей, различных объектов внешней среды, продуктов растительного и животного происхождения, а также удельной поверхностной активности [Люцко А.М. и др., 1996; Белов А.Д., 1999].

Выпускают радиометры различных систем и конструкций. Среди них можно выделить две основные группы: стационарные и переносные.

Стационарные (лабораторные) радиометры. Такие радиометры различаются электрическими и эксплуатационными параметрами, а также конструктивными особенностями. Однако все они имеют сходную блок-схему устройства и состоят из детектора, импульсного усилителя, пересчетного прибора, регистрирующего устройства для визуального определения результатов измерения и источника высокого напряжения для питания детектора. Питание приборов обеспечивается от сети переменного тока.

Переносные, лабораторные и полевые радиометры. Они имеют малые размеры и автономное (батарейное) или сетевое питание. Приборы этого типа применяют для обнаружения радиоактивных веществ, а также для определения их количества и качества (гамма- или бета-излучение). Вместо пересчетного прибора применено более простое электронное устройство, позволяющее считывать показания по шкале стрелочного показывающего прибора. Некоторые радиометры имеют цифровую, световую и звуковую индикацию излучения, а также пороговую звуковую или световую сигнализацию превышения заданной мощности дозы или пороговой скорости счета импульсов. В качестве детекторов излучения используют газоразрядные и сцинтилляционные счетчики (Белов).

При измерении содержания цезия используют полупроводниковый или сцинтилляционный детекторы. Стронций-90 и плутониевые радиоизотопы измеряют после предварительной радиохимической обработки образца радиометрами, в которых применяются безокошечные детекторы, т.е. такие, в которых детектирующее вещество не имеет поглощающих стенок.

В гамма-радиометре детектор вместе с измеряемым объектом помещают в «домик» из свинца, стали или комбинации металлов для защиты от космического излучения и излучений природных изотопов (детектор регистрирует любые кванты, не «разбираясь», откуда они пришли). Важно, чтобы это постороннее излучение - радиоактивный фон - было малым, по сравнению с регистрируемым, иначе падает чувствительность прибора. Таким образом, радиометр - довольно сложный и тяжелый прибор. Чем меньшую активность нужно измерить, тем выше требования к чувствительности радиометра, качеству его детектора и защиты.

Существуют также большие радиометры для измерения радиоактивности, накопившейся в человеческом теле. Они называются счетчиками излучения человека (СИЧ) и имеют много детекторов, «просматривающих» тело со всех сторон. С помощью СИЧ можно измерить содержание гамма-излучающих радионуклидов. Это хороший прибор для определения накопленного цезия, но они совершенно не годятся для измерения бета- или альфа-излучающих изотопов. Правда, за рубежом известны несколько специальных установок, позволяющих оценить прижизненное содержание стронция-90 и даже плутония в органах человека по вторичным проникающим излучениям [Люцко А.М., 1996].

Дозиметры - приборы, тоже измеряющие ионизирующее излучение. В отличие от радиометров ими измеряют не активность, а поглощенную энергию ионизирубщего излучения, т.е. дозу и прежде всего экспозиционную. Дозиметры предназначены для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений, поглощенной дозы излучений, мощности экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений, мощности поглощенной дозы и интенсивности ионизирующих излучений [Люцко А.М., 1996].

Дозиметры состоят из трех основных частей: детектора, радиотехнической схемы, усиливающей ионизационный ток, и регистрирующего (измерительного) устройства. Детекторами излучения в дозиметрах могут быть ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики и др. Поскольку экспозиционная доза определена для воздуха, в качестве детектора такого дозиметра (рентгенометра) можно, например, использовать воздушную ионизационную камеру, в которой собирается заряд от ионизации г-квантами за некоторый промежуток времени. При этом показания дозиметра на табло отмечают мощность экспозиционной дозы в виде тока или мкР/с, мкР/час и т.д. Для того, чтобы измерить поглощенную дозу в органической ткани, нужны тканеэквивалентные (подобные тканям человеческого тела или животного) детекторы, например пластмассовые сцинтилляторы. Если применить другие детекторы (ионизационный счетчик, термолюминесцентный или фотолюминесцентный дозиметр, фотографическую пленку), дозиметр необходимо предварительно прокалибровать, причем для каждого вида излучения получаются свои поправочные коэффициенты. Таким образом, для того, чтобы измерить поглощенную дозу в Греях, необходимо знать, какое излучение (г-кванты или частицы и какой именно энергии) действует, иначе неизбежны большие ошибки. Вдобавок, данные дозиметры нужно непосредственно разместить в том органе человеческого тела, для которого определяется доза. По этим причинам экспериментально очень трудно измерить поглощенную дозу, особенно для смешанного излучения, в котором одновременно присутствуют б-, в-частицы и г-кванты стронция, цезия и плутония. Регистрирующим устройством может быть микроамперметр или устройство для цифровой, световой, звуковой индикации результатов измерений. Все дозиметры делят на стационарные, переносные, носимые (полевые) и индивидуальные. Принятая классификация дозиметрических приборов на группы не является строгой. Она отражает лишь основное назначение каждого прибора, но не исключает возможности использования его для решения дополнительных задач.

Стационарные дозиметры. Их используют для контроля величины дозы и мощности дозы излучения в определенных (технологически и тактически обоснованных) точках радиологических лабораторий, технологических установок, участков или объектов местности. Дозиметры подобного типа незаменимы для контроля дозы и мощности дозы излучения, получаемой объектом, подвергающимся специальному облучению, при использовании специальной технологии в сельском хозяйстве, контроле уровня радиации в хранилищах, очистных сооружениях, при лучевой терапии, для контроля радиационной обстановки в помещениях атомных электростанций, в радиохимическом производстве, в лабораториях, санпропускниках и др.

Переносные дозиметры. Их применяют для измерения дозы и мощности дозы излучения в производственных и лабораторных помещениях, где по условиям работы не требуется проводить постоянный дозиметрический контроль, а осуществляют лишь периодический контроль. К этому типу приборов можно отнести дозиметры ДРГЗ-02, ДРГЗ-03 (см. рис. 17, в), предназначенные для измерения мощности экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений от 0,01 до 100 и от 0,1 до 1000мкР/с, ДРГЗ-04 -- от 0,1 до 3000 мкР/с. Они имеют сетевое и автономное питание.

Дозиметр-радиометр бытовой ИРД-02Б применяют для индивидуального контроля радиационной обстановки на местности, в жилых и рабочих помещениях по уровню гамма-излучения, а также для оценки плотности потока бета-излучения от загрязненных поверхностей и измерения удельной активности проб воды, почвы, продуктов питания и т.д. Дозиметры полезно иметь в загрязненной зоне для того, чтобы контролировать уровень гамма-фона и избегать сильно загрязненных цезием участков [Белов А.Д., 1999; Люцко А.М. и др., 1996].

Полевые дозиметры представляют собой большую группу приборов, которые широко применяют для обнаружения радиоактивных веществ, а также для определения их количества и качества по уровню гамма-излучения. Они характеризуются малыми габаритами и имеют автономное питание. Показания (в мР/ч или мкР/ч) считывают по шкале стрелочного прибора; некоторые приборы имеют световую и звуковую индикацию излучений, а также пороговую звуковую или световую сигнализацию превышения заданной мощности дозы. В качестве детекторов излучения используют газоразрядные и сцинтилляционные счетчики.

Спектрометры предназначены для измерения распределения излучений по энергии, заряду и массам, а также пространственно-временных распределений излучений. Спектрометры (гамма-спектрометрические установки) состоят из следующих элементов: детектора, который служит для преобразования энергии гамма-квантов в электрический импульс; предусилителя, усиливающего сигнал; блока питания детектора и предусилителя; спектрометрического усилителя, формирующего сигнал нужной формы и защищающего последующие устройства от шумов малой амплитуды, отсекая их специальным дискриминатором; аналого-цифрового преобразователя (АЦП), измеряющего амплитуду каждого импульса и накапливающего информацию о них в памяти; монитора (осциллограф или экран компьютера), который служит для визуализации гистограмм поступивших импульсов.

3. Основные методы измерения радиоактивности

Радиоактивность препаратов можно определить абсолютным, расчетным и относительным (сравнительным) методами. Наиболее широко практически применяют последний. Для анализа проб объектов ветеринарного надзора, имеющих сложный радионуклидный состав, используют спектрометрические методы измерения радиоактивности.

Абсолютный метод. Метод основан на использовании прямого счета полного числа частиц распадающихся ядер в условиях 4р-геометрии (полного телесного угла). В этом случае радиоактивность препаратов выражается не в импульсах в минуту, а в единицах активности (Ки, мКи, мкКи). Для этих целей используют 4р-счетчики, конструкция которых позволяет поместить образец препарата внутрь счетчика (газопроточный счетчик типа СА-4БФЛ, сцинтилляционный счетчик с растворением пробы в жидком сцинтилляторе или помещением пробы внутрь него и др.).

Расчетный метод. Это метод определения абсолютной активности альфа- и бета-излучающих изотопов, который заключается в том, что измерение осуществляют при помощи обычных газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков.

Чтобы сопоставить скорость счета, выраженную в импульсах в минуту, с активностью в единицах кюри, вводят в результаты измерения ряд поправочных коэффициентов, учитывающих потери излучения при радиометрии.

Относительный (сравнительный) метод. Этот метод основан на сравнении активности исследуемого препарата с активностью стандартного препарата (эталона), содержащего известное количество изотопа. Преимущество относительных измерений в их простоте, оперативности и удовлетворительной достоверности.

Благодаря этому относительный метод широко применяют в практической радиометрии и в научных исследованиях с использованием радиоактивных изотопов.

Для правильного проведения измерений относительной активности исследуемых препаратов необходимо, чтобы схема распада, вид и энергия излучения эталона существенно не отличались от исследуемого радионуклида. Идеальным эталоном был бы радиоизотоп, одноименный с изотопом, содержащимся в измеряемом препарате.

Желательно иметь в качестве эталона долгоживущий радиоактивный изотоп, так как его можно использовать длительное время без внесения поправок на распад. При определении суммарной бета-активности в объектах ветнадзора в качестве эталона применяют 40К, 90Sr,90Y и др.

Эталон и исследуемые препараты должны иметь одинаковую форму, площадь и толщину активного слоя; их одинаково располагают относительно счетчика. Подложки, на которые нанесены измеряемые препараты и эталон, должны быть выполнены из одинакового материала и иметь одинаковую толщину. Все измерения надо проводить на одной установке с одним и тем же счетчиком. Следует стремиться к тому, чтобы измерения активности всех препаратов были выполнены с одинаковой статистической точностью.

Измерив скорость счета частиц Nэ, от эталона и препарата Nпр, рассчитывают активность препарата Апр в беккерелях или в кюри по формуле:

Апр =АэNпр/ Nэ

Спектрометрические методы. Их применяют для анализа проб без предварительного выделения радионуклидов. Измеряя энергию и интенсивность ионизирующего излучения, можно идентифицировать радионуклиды в анализируемых препаратах и достаточно точно определить их абсолютную активность. Для решения этих задач применяют спектрометры.

Спектрометр состоит из детектора и регистрирующей аппаратуры, которая выполняет функции измерения энергии и числа частиц, или квантов. В качестве детектора излучения в спектрометрах используют ионизационные камеры, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики.

Различают альфа-, бета- и гамма-спектрометрические методы.

Альфа-спектрометрический метод используют для изучения изотопного состава естественных радиоактивных элементов, и в первую очередь U, Th, Ra. Он основан на регистрации спектра альфа-частиц после приготовления тонкослойных препаратов. В альфа-спектрометрах широко применяют кремниевые полупроводниковые детекторы.

Бета-спектрометрические методы можно использовать при изучении обмена веществ в организме животных для анализа проб, содержащих два радионуклида (или более), различающихся по энергии бета-излучения минимум в четыре раза. При анализе проб объектов ветеринарного надзора бета-спектрометрические методы не используют из-за сложности такого анализа.

Гамма-спектрометрические методы наиболее широко распространены в ветеринарной практике. В качестве детекторов излучения в гамма-спектрометрах используют сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики [Белов А.Д., 1999].

4. Радиационно-экологическое районирование комплексом геофизических методов

Для оценки интенсивности влияния природных, техногенных и аварийных радиационных факторов на среду обитания и деятельности человека проводится радиационно-экологическое районирование природных и природно-техногенных комплексов на различных уровнях.

Задачами районирования являются выделение площадей и объектов с неблагоприятной и весьма неблагоприятной радиационно-экологической обстановкой, выяснение тенденции ее изменчивости во времени, определение объектов радиационного мониторинга, а также разработка предупредительных или защитных мер от негативных радиационных факторов.

Комплекс геофизических методов на различных уровнях решает свои конкретные задачи. При региональном районировании предпочтение отдается дистанционным аэрогамма-спектрометрическим съемкам с определением в поверхностном слое почво-грунтов или горных пород концентрации (удельной активности) урана (по радию), тория, калия-40 и искусственного изотопа цезия-137. На площадях с повышенными концентрациями перечисленных радиоэлементов проводится их увязка с типом почв, грунтов или подстилающих горных пород методами пешеходной гамма-спектрометрии, шпуровой и эманационной съемок. Одновременно ведется анализ радиационного воздействия на природные комплексы преобладающих в регионе техногенных систем и объектов. На этом же уровне намечаются площади и крупные техногенные объекты с неблагоприятной обстановкой для последующего радиационно-экологического мониторинга.

При территориальном районировании дополнительно в комплекс вовлекаются лабораторные радиометрические, гамма-спектрометрические и другие физические методы по количественному определению тех или иных радионуклидов в пробах почв, грунтов, горных пород, поверхностных и подземных вод, продукции и отходов техногенных систем и объектов, связанных с добычей и переработкой полезных ископаемых, включая радиоактивные руды, строительные материалы, энергетическое сырье, промышленные, питьевые, минеральные и термальные воды, и т.д.

На территориальном уровне предпочтение отдается исследованиям площадей и объектов, выделенных на региональном уровне с неблагоприятной и весьма неблагоприятной радиационно-экологической обстановкой.

При районировании городов и районов проводится комплекс площадных радиометрических и дозиметрических методов с определением природного и техногенного гамма-фона, концентрации радона в почвенном воздухе, увязкой их между собой и с уровнями эквивалентной равновесной объемной активности радона в атмосфере жилых и производственных помещений. В первую очередь изучаются площади и объекты с негативной радиационной обстановкой, выделенные на региональном и территориальном уровнях [Никифоров Ю.А., 2000].

Тема 3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И РАДИОНУКЛИДОВ

Все живые существа на Земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения от естественных и искусственных источников ионизирующего излучения. Радионуклиды естественного и искусственного происхождения широко распространены в природе; они рассеяны в земной коре, воде, воздухе, растениях и теле животных. При этом между ними нет принципиальных различий, так как их свойства не зависят от способа образования.

Лекция 6: Естественные источники ионизирующих излучений и радионуклидов

К радионуклидам естественного (или природного) происхождения относят те, которые образовались на Земле без участия в этом человека. Различают две группы естественных источников радиации: космогенные источники и первичные радионуклиды земной коры. Первичные радионуклиды содержатся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т.д. Ионизирующие излучения, исходящие от природных источников, называют природным радиационным фоном.

1. Космогенные источники

Космическое излучение условно можно разделить на две части:

а) первичное космическое излучение - заряженные частицы высокой энергии, приходящие из межзвездного пространства и из солнечной галактики, а также коротковолновое электромагнитное излучение;

б) вторичное космическое излучение - ионизирующее излучение, образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия первичного космического излучения с атомами воздуха. Наиболее распространенными продуктами космогенной активации являются: 3Н, 7,10Ве, 14С, 22Nа, 32Si, 32,33P, 35S, 36,39Cl.

в) радиоактивные изотопы, попадающие на поверхность Земли и в ее атмосферу из космического пространства вместе с космической пылью и метеоритными частицами [Симак С.В. и др., 1998].

Первичное космическое излучение:

Галактическое излучение образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Оно состоит по большей части из заряженных частиц - это протоны высоких энергий (79%-87%), атомные ядра (от водорода и гелия до более тяжелых ядер лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и др.) и позитроны. Небольшой процент составляют электроны и гамма-лучи. Большинство заряженных частиц обладает очень высокой энергией - в интервале 3 - 15 ГэВ, а некоторые 1017 - 1018 эВ. Такие большие энергии первичные космические частицы приобретают в результате ускорения их в переменных электромагнитных полях звезд, многократного ускорения в магнитных полях облаков космической пыли межзвездного пространства и в расширяющихся оболочках новых и сверхновых звезд [Белов А.Д. и др., 1999].

Солнечный ветер. Солнце выбрасывает большое количество заряженных частиц, из которых образуется бесконечный поток, который направляется к самым окраинным зонам Солнечной системы. Такие потоки частиц получили название «Солнечный ветер».

Рядом с Землей у солнечного ветра скорость составляет приблизительно 400 км/с, а плотность - 10 частиц на 1 см3 (в миллиард миллиардов раз ниже, чем плотность земной атмосферы).

Солнечный ветер состоит главным образом из электромагнитного излучения (вплоть до рентгеновского диапазона), протонов и электронов, но в нем присутствуют также ядра гелия и других элементов [Рандзини Д., 2004].

Однако лишь немногие частицы достигают поверхности Земли, т.к. они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения. Поэтому основную массу космических лучей, достигающих поверхности Земли, составляет вторичное космическое излучение [Белов А.Д. и др., 1999].

Вторичное космическое излучение очень сложно и состоит из всех известных в настоящее время элементарных частиц и излучений. Основную массу их составляют м±-мооны (тяжелый аналог электрона m=200me), р±-мезоны (70%), электроны и позитроны (26%), первичные протоны (0,05%), гамма-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейтроны. На пути к земной поверхности поглощается и это вторичное излучение. До Земли оно почти не доходит. При бомбардировке верхних слоев атмосферы (примерно на высоте 15 - 20 км от поверхности Земли) космическими излучениями различной природы образуются атомы других элементов, порой радиоактивных [Белов А.Д. и др., 1999]. Таким путем образуются тяжелый изотоп водорода - тритий и радиоактивный углерод-14. Распадаясь, эти изотопы испускают в-частицы, причем период полураспада у трития 12,3 года, а у радиоуглерода - 5730 лет. В воздушном пространстве оба радиоизотопа возникают и распадаются непрерывно, так что в природе всегда имеется некоторый определенный «запас» трития и радиоуглерода. Равномерно перемешиваясь с обычным углеродом и водородом, тритий и радиоуглерод попадают в воду, их потребляют растения и животные. Таким образом, все живые существа содержат немного радиоактивных изотопов, образованных космическим излучением [Люцко А.М. и др., 1996].

Продукция таких изотопов максимальна в верхних слоях атмосферы в высоких широтах, т.е. там, где существует наибольший поток частиц космических лучей.

Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов: - интенсивности потока галактического излучения; - активности солнца; - географической широты; - высоты над уровнем моря [Белоус Д.А., 2004].

Полярное сияние. Свечение полярного сияния происходит из-за исторгнутых Солнцем заряженных частиц: электронов, протонов, альфа-частиц, которые взаимодействуют с земным магнитным полем и между собой. Частицы, устремляющиеся к Земле, отклоняются ее магнитным полем и ионизируют атомы атмосферы. Очень высокая энергия заряженных частиц приводит к тому, что при их столкновении с нейтральными атомами атмосферы из них выбиваются один и больше электронов. При соединении ионов кислорода с электронами у полярного сияния появляется зеленоватая окраска; когда замена электронов происходит в молекуле азота, оно бывает красным. Полярные сияния происходят на высоте не менее 100 или выше 400 км и наблюдать их можно главным образом в высоких широтах, то есть, в полярных областях. Причина этого в том, что именно туда частицы отклоняются земным магнитным полем. Во время полярного сияния в ионосфере (слой атмосферы на высоте 50-500 км) происходят различные явления: пульсация магнитного поля Земли, выбросы рентгеновских лучей и образование электрических потоков. Более того, энергия, выделяемая полярным сиянием в невидимой части области электромагнитного спектра, значительно больше, чем в его видимой части.

Космический фон практически постоянен и зависит лишь от высоты местности (табл. 6.1.). В нижней атмосфере интенсивность космического излучения с высотой удваивается примерно каждые 1,5 км. [Люцко А.М. и др., 1996]. По мере увеличения высоты увеличивается интенсивность космического излучения. Так, на уровне моря средняя поглощенная доза этого излучения составляет 320 мкГр/год (0,03-0,04 Р/ч или 1,15*10-11 Гр/с), на высоте 2 км - в 3-4 раза, а на высоте 3 км - в 5-6 раз выше [Симак С.В. и др., 1998].

Таблица 6.1.

Зависимость космического фона от высоты над уровнем моря

Таким образом, жители высокогорья, чабаны, пасущие скот, облучаются сильнее, чем жители равнин и морских побережий. Еще сильнее космические лучи действуют на пассажиров самолета, поднимающегося на высоту 10-12 км (облучение из космоса превышает естественный уровень более чем в сто раз). Правда в полете человек проводит немного времени, и общая полученная им доза незначительна. Большую опасность космическое излучение представляет для экипажей воздушных судов, и особенно для космонавтов, так как последние лишены защиты воздушно оболочки, а через тонкие стенки аппарата-спутника частицы высокой энергии проникают без труда [Люцко А.М. и др., 1996].

2. Природные радиоактивные вещества

Их условно можно разделить на три группы. В первую группу входят нуклиды радиоактивных семейств (рядов) 235U, 238U и 232Th с продуктами их распада. Ко второй группе относятся радиоизотопы , находящиеся в земной коре и объектах внешней среды с момента образования Земли: 40К, 87Rb, 48Са, 96Zn, 130Te, 129I и др. К третьей группе принадлежат радиоактивные изотопы 14C, 3H, 7Be, 10Be, образующиеся непрерывно под действием космического излучения [Радиобиология/ А.Д. Белов и др., 1999].

В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро ит.д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоночальника - уран-235, уран-238 и торий 232, и, соответственно, три радиоактивных ряда - два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца. Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие («вековое равновесие») - скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования [Белоус Д.А., 2004].

Существуют радионуклиды, которые вошли в состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым и ториевому рядам. В природе концентрация естественных радионуклидов варьирует в широких пределах. Больше всего в окружающей среде 87Rb и 40К. Радиоактивность 40К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов за счет жесткого бета- и гамма-излучений. Радиоактивный калий составляет около 0,012% всего природного калия или 2,5% от всех природных радионуклидов земной коры. Больше всего 40К содержится в ископаемых калийных солях. Радиоактивный калий является основным радионуклидом, создающим природную активность кормов и сельскохозяйственной продукции в большинстве геохимических провинций Земли [Анненков Б.Н. и др., 1991].

Земная кора и почва.

Поскольку радионуклиды образуют в природе определенные соединения и в соответствии со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Весьма существенные различия в концентрации радионуклидов отмечаются в почвах разных типов. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаники и известняки за счет процессов сорбции. Чернозем занимает промежуточное место [Симак С.В. и др., 1998; Белов А.Д. и др., 1999; Анненков Б.Н. и др., 1991].

Радиоактивные тяжелые элементы (U, Th, Ra) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения разных земных пород у поверхности Земли колеблется в широких пределах - 0,26 - 11,5 мГр/год. Однако имеются районы (например бразильский курорт Гуарапари; штат Керала в Индии - моноцитовые пески; Китай, Гуандон), где вследствие выхода на поверхность Земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона составляет 0,12 - 0,7 Гр/год, что в 100-500 раз выше среднемирового фона [Белов А.Д. и др., 1999].

Природные воды.

Естественные радионуклиды обнаруживаются во всех типах природных вод. Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и радий, образующие растворимые комплексные соединения, которые вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их радиоактивных превращений (222Rn и 220Th). Концентрация радиоактивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, климатических факторов, рельефа местности и т.д. Концентрация урана, радия и тория особенно высока в подземных водах. В южных реках с высокой степенью минерализации содержание урана обычно выше, чем в северных реках с относительно низкой минерализацией. Из долгоживущих естественных радионуклидов в природных водах больше всего 40К - до 330 пКи/л (в морской воде). Концентрация радионуклидов в дождевой воде не велика, исключение составляет 3Н и 7Ве, концентрация которых может достигать десятков пКи/л [Анненков Б.Н. и др., 1991; Белов А.Д. и др., 1999].

Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии (222Rn и 220Th (торон), 14С, 3Н) или в виде аэрозолей (40К, уран, радий и др.) [Радиобиология/ А.Д. Белов и др., 1999]. Радионуклиды поступают в атмосферу различными путями. Некоторое количество радионуклидов попадает в воздух в результате выветривания земных пород и разложения органических веществ. Определенная доля радиоактивности атмосферы обусловлена наличием в воздухе космогенных радионуклидов. Существенное значение имеет диффузия из почвы в приземные слои атмосферы радона (222Rn) и торона (220Th), являющихся продуктами радиоактивного распада соответственно 226Ra и 224Ra [Анненков Б.Н. и др., 1991].

Радиоактивность атмосферного воздуха варьирует в широких пределах - 7,4*10-4 - 16,3*10-3 Бк/л (2*10-14 - 4,4*10-13 Ки/л) и зависит от местоположения (в атмосферном воздухе над сушей концентрация радионуклидов выше, чем над океаном), содержания радионуклидов в материнских земных породах, времени года, состояния атмосферы и т.д. [Белов А.Д. и др., 1999; Анненков Б.Н. и др., 1991].

Во флоре и фауне концентрация естественных радионуклидов обычно не велика, так как большинство из них не являются биогенами и плохо усваиваются растительностью и животными. Исключение составляют 40К, 14С, 3Н, 18О и 22Na, которые усваиваются растениями и животными весьма интенсивно [Анненков Б.Н. и др., 1991; Симак С.В. и др., 1998].

Таким образом, растения и животные подвергаются воздействию внешних источников природного радиационного фона - космическая радиация и излучения естественных радионуклидов, рассеянных в почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, а также внутренних источников природной радиации, содержащихся в самом организме и поступающих в него с пищей, водой и воздухом.

Природный радиационный фон является одним из экологических факторов, для всех живых организмов Земли. Действие его непрерывно и отличается широкой вариабельностью. В ходе многих экспериментов было доказано, что наличие природного радиационного фона необходимо для нормального роста и развития всего живого на Земле. Кроме того, природный радиационный фон является одним из поставщиков материала для естественного отбора (мутации) и одним из факторов видообразования.

Естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. Это связано с тем, что с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше. Природные радионуклиды имеют способность избирательно накапливаться в определенных видах растений, животных , рыб. Это приводит к более высокому содержанию какого-либо из радионуклидов в определенном продукте питания по сравнению с другими. В результате жители, потребляющие в соответствии с традициями национальной кухни данный продукт в больших количествах, получают и большие дозы внутреннего облучения. Это превышение может достигать десятков раз по отношению к среднестатистическому, но это естественно. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т.д.

Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв.

Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космического излучения и от радионуклидов земной коры). 2/3 обусловлены внутренним облучением [Белоус Д.А., 2004]. Суммарная доза, получаемая от природного радиационного фона людьми, колеблется в разных точках земной поверхности от 1 до 110 Зв/год на человека [Симак С.В. и др., 1998; Белов А.Д. и др., 1999; Анненков Б.Н. и др., 1991].

Неравномерность природного радиационного фона на нашей планете обусловлено:

· Различием в концентрации природных радионуклидов в различных участках земной коры, на ее поверхности;

· Высотой местности над уровнем моря, географической широтой, вариабельностью космического излучения;

· Преимущественным потреблением определенных продуктов питания.

Лекция 7. Антропогенные источники ионизирующих излучений и радионуклидов

С деятельностью человека связано появление во внешней среде искусственных радионуклидов. В результате технологических процессов естественный радиационный фон в окружающей среде может быть изменен, так как вследствие антропогенного влияния происходит перераспределение естественных радионуклидов в биосфере и увеличивается интенсивность вовлечения их в биологический и технологический круговорот веществ в природе. Повышение естественного радиационного фона может быть связана с поступлением естественных радиоактивных веществ во внешнюю среду в результате испытаний ядерного и термоядерного оружия (особенно если они проводятся на поверхности земной коры, в воздухе и воде), в качестве радиоактивных отходов промышленных и энергетических реакторов и в результате аварийных ситуаций на этих установках. Определенное количество радиоактивных материалов поступает в окружающую среду в процессе работы неядерной промышленности (нефте- и газодобывающие и перерабатывающие предприятия, ТЭЦ).

1. Технологически повышенный естественный радиационный фон

Для оценки изменения естественного радиационного фона под влиянием хозяйственной деятельности человека в 1975 г. (Причардом и ) было введено понятие техногенно повышенный естественный радиационный фон (ТПЕРФ) под которым понимается изменение облучения от истинно естественных источников и облучение в результате техногенной деятельности человека. Основными источниками ТПЕРФ являются: уголь, сжигаемый на электростанциях, используемый в хозяйственной деятельности природный и сжиженный газ, строительные материалы, минеральные удобрения в сельском хозяйстве, воды с повышенным содержанием естественных радионуклидов, пассажирские полеты на больших высотах.

Уголь. Все угли содержат радионуклиды урановых и ториевого рядов распада. В зависимости от зональности месторождения в 1 кг угля содержится от 1 до 70 Бк 40К, от 3 до 500 Бк 238U, от 3 до 300 Бк 232Th. Концентрация 222Rn в угле может доходить до 20 Бк/кг, а 226Ra - 370 кБк/кг. Электростанции, работающие на угле, выделяют в атмосферу сравнимое с АЭС количество биологически значимых долгоживущих радионуклидов. В результате сжигания угля нелетучие компоненты остаются в золе. Если принять, что ЭС мощностью 1000 МВт ежегодно потребляют 2,3 млн.т. угля, то она выделяет около 7,4*1010 Бк изотопов радия. При хорошей очистке выбросов (99,5%) при сжигании угля в атмосферу выделяется 37*107 Бк смеси радиоактивных изотопов (сюда же входят и 210Po и 210Pb). Однако не все электростанции достигают такой высокой степени очистки выбросов от летучей золы. Для Великобритании этот показатель составляет в среднем 99,3%, для различных районов Северной Америки - редко достигает 97,5%. Проектная эффективность очистки на современных ТЭС России составляет 98,5%. Однако большая часть стран существенно уступает современным европейским и американским стандартам [Уорнер Ф. и др., 1999; Белоус Д.А., 2004].

Нефть и природный газ. Главный источник радиоактивности нефтяных и газовых залежей - урановые ряды (продукты распада урана-238 и урана-235). Главными радиоактивными загрязнителями нефти являются 226Ra (Т=1620 лет), 210Pb (Т=22,3 года) и 210Po (Т=138 дней). Они также отлагаются в заводском оборудовании и трубопроводах, образуясь из радона, поступающего вместе с природных газом из подземных залежей [Уорнер Ф. и др., 1999]. Нефть и газ поступают из пробуренных скважин в начале эксплуатации сухими, но затем к их потоку начинает примешиваться вода, содержащая много растворенных солей. Эти соли образуют осадки на стенках труб. В них могут содержаться радий и его дочерние продукты.

На большинстве освоенных месторождений выполняют технологические операции, связанные с радиоактивностью осадков, которая может изменяться от < 1 до > 15000 Бк на грамм. Сюда входят физические наблюдения за безопасностью для здоровья, необходимые ремонтные работы и захоронение радиоактивных отходов. Основной способ захоронения - это затопление в море.

Природный газ. При сжигании природного газа во внешнюю среду выделяется 222Rn. Особое значение имеет сжигание газа в жилище человека. В условиях плохой вентиляции, выделяющийся из природного газа радон дает большой вклад в количество этого радионуклида, присутствующего в помещении. Среднее поступление радона в помещение примерно 370-555 Бк/сутки. Вклад радона, связанный со сжиганием природного газа, в дозу не велик по сравнению с вкладом радона, выделяющегося из стройматериалов.

Сжиженный газ. При термическом фракционировании природного газа для выделения фракции тяжелых углеводородов, радон концентрируется в пропановой и этановой фракциях, что приводит к 8 кратному увеличению содержания радона в сжиженном газе. Так как сжиженный газ перед использованием хранится, в результате чего часть радона распадается (Т=3,823 суток), в радиационно-гигиеническом отношении сжиженный газ не отличается от природного.

Из сопоставления техногенной эмиссии естественных радионуклидов в атмосферу следует, что поступление радона из нефтяных и газовых скважин значительно превосходит соответствующую величину при сжигании угля. С другой стороны, важно помнить, что если 226Ra и 210Pb от сжигания углей - это доля, которая поступает в атмосферу, то почти весь Ra и Pb от добычи нефти и газа сбрасывается в море.

Строительные материалы

Так как земные породы используют в качестве строительного материала, то от последнего зависит радиационный фон внутри здания. Содержание радионуклидов в строительных материалах может быть связано как с повышенной естественной концентрацией (например, в граните), так и с использованием побочных продуктов (отходов) других производств, где произошло концентрирование природных радионуклидов (например, угольный шлак). Основной вклад вносит радон-222 (продукт распада радия-226). Так в деревянных домах и сооружениях концентрация радона в норме составляет 1,5*10-2 Бк/л воздуха, кирпичных - 4,0; бетонных 11,6. При плохой вентиляции концентрация радона может значительно возрастать (до 100 раз), создавая повышенное облучение человека. Такая ситуация характерна в большей степени для подвалов и первых этажей зданий, где удельная активность радона может составлять величину порядка 1 - 10 кБк/м3 [Симак С.В. и др., 1998; Белоус Д.А., 2004].

Сельскохозяйственные удобрения.

Важным источником повышения естественного радиационного фона являются минеральные удобрения (суперфосфаты, фосфориты, калийные). Они содержат радионуклиды 238U, 226Ra, 232Th, 210Po, 210Pb и 40K в количестве от нескольких мБк/г до нескольких Бк/г. Внесение этих удобрений на поля в агрохимически обоснованном количестве может поднять мощность дозы излучения в месте внесения удобрений примерно на 0,5 мкР/ч. Водный сток удобрений в реки и озера повышает концентрацию радия в воде.

Следует помнить, что технологически увеличенная природная радиоактивность на порядок меньше, чем глобальная естественная эмиссия. Однако в локальном масштабе рукотворные источники могут оказаться доминирующими.

2. Загрязнение окружающей среды радионуклидами в результате испытания атомного и ядерного оружия

Впервые проблема антропогенных радионуклидов в биосфере появилась в середине сороковых годов, с началом эры испытаний и применения атомного, а позднее и ядерного оружия.

Действие атомной бомбы основано на реакции деления ядер урана-235 или плутона-239 (который получают при облучении урана-238 медленными нейтронами). Ядерное или водородное оружие использует другой принцип: синтез гелия 42He из изотопов водорода дейтерия 21H и трития 31H.

21H + 31H = 42He + 10n

Эта реакция идет при температуре несколько десятков миллионов градусов и огромном давлении. Такие условия достигаются при взрыве обычного атомного заряда [Симак С.В. и др., 1998]. При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации (наведенной радиоактивности), в частности 3Н, бериллия, 14С.

В результате взрывов образуется около 80 осколков деления - радиоактивных изотопов различных элементов. Каждый осколок обычно претерпевает еще несколько превращений до того как превратится в стабильный нуклид. При этом испускаются в-частицы и г-кванты. Большинство образующихся при этом радионуклидов короткоживущие. Помимо осколков деления, при взрыве рассеивается часть атомной начинки (235U или 239Pu) - до 70-80% от ее исходного количества.

С увеличением возраста продуктов деления их общая активность быстро уменьшается. Из закона радиоактивного распада смеси осколков деления выявлено правило: каждое десятикратное снижение активности осколков и мощности дозы гамма-излучения происходит в результате увеличения их возраста в 7 раз. Уже через сутки после взрыва радиоактивность падает более чем в 3000 раз [Симак С.В. и др., 1998].

Из большого числа ядерных осколков и их дочерних продуктов интерес для радиобиологии по своим радиотоксикологическим и физическим характеристикам (величина выхода продукта при делении, период полураспада, вид и качество излучения) представляют лишь 10 радионуклидов: 89,90Sr, 95Zn, 95Nb, 103,106Ru, 131I, 137Cs, 140Ba, 144Ce. Из них только два (103,106Ru) относятся к непосредственным осколкам деления, а остальные восемь представляют собой продукт второго - четвертого актов бета-распада ядер-осколков. В первые месяцы после ядерного взрыва основную опасность в смеси осколков деления представляют 131I, 140Ba и 89Sr, а в последующем 90Sr и 137Cs.

Загрязнение местности зависит от характера ядерного взрыва (наземный, воздушный и т.д.), калибра ядерного устройства, атмосферных условий (скорость ветра, влажность, выпадение осколков, распределение температуры по высоте, которое влияет на перемещение масс воздуха), географических зон и широт и др. Тип и «начинка» ядерных зарядов заметно влияют на характер возникающей радиоактивности.

Наземные взрывы создают сильное загрязнение радиоактивными продуктами деления непосредственно в районе взрыва, а также на прилегающей территории, над которой проходило радиоактивное облако.

При воздушном взрыве не происходит значительного локального загрязнения местности радиоактивными продуктами деления, так как они распыляются на очень большой площади. Однако, под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься степень загрязнения в том или ином районе.

Средние и малые взрывы до нескольких килотонн тротилового эквивалента загрязняют в основном тропосферу (до высоты 18 км). Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют главным образом стратосферу (до высоты 80 км). Благодаря наличию воздушных течений частицы радиоактивных продуктов деления способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, поэтому радиоактивное загрязнение может возникнуть в любой точке земного шара, т.е. носить характер глобального загрязнения [Радиобиология/ А.Д. Белов].

При взрывах почти во всех случаях опасность от выпадения продуктов ядерного деления преобладает над радиационной опасностью, связанной с нейтронной активацией.

Облучение людей продуктами ядерных взрывов происходит извне и с поступающими в организм по пищевым цепям радиоактивными веществами. Испытания на Новой Земле чрезвычайно загрязнили приполярные тундры. Оленеводы Крайнего Севера получили дозы облучения в 100-1000 раз более высокие, чем остальное население, так как основной их продукт питания - оленина имела очень высокую концентрацию радиоактивности из-за накопления ягелем цезия и стронция.

Вследствие запрещения испытательных взрывов в трех средах началось постепенное снижение вызванного ими радиационного фона. В 1963 г. соответствующая среднегодовая коллективная доза составила примерно 7% от дозы естественного облучения, в начале 80-х годов - около 1%. Рассчитанные средние индивидуальные дозы, полученные жителями Земли в результате испытаний в мЗв, приведены в табл. [Люцко А.М. и др., 1996].

Таблица 7.1.

Средние индивидуальные дозы, полученные жителями Земли в результате испытаний в мЗв (Антонов В.П., 1989)

Ожидаемая коллективная доза от всех произведенных ядерных взрывов составляет 30 млн чел*Зв. К 1980 г. человечество уже получило 12% этой дозы. Приведенные выше индивидуальные ожидаемые дозы тоже будут накапливаться в течение длительного времени (большая часть до 2020 г.), так что их нельзя сравнивать с годовыми дозами от других источников радиации. Тем не менее это существенный избыток над естественным облучением. Отметим, что образовавшийся при термоядерных испытаниях радиоуглерод, смешавшись со стабильным углеродом биосферы, вследствие большого периода полураспада (5730 лет) будет служить дополнительным источником облучения для многих поколений людей [Люцко А.М. и др., 1996].

3. Радиоактивность, связанная с работой предприятий ядерно-топливного цикла

Важным источником антропогенных поступлений радионуклидов в окружающую среду являются предприятия ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), включающего в себя урановые рудники, предприятия по обогащению и переработке руды, производству ядерного топлива, его транспортировке, производство электроэнергии на атомных электростанциях и захоронение радиоактивных отходов. На каждом из этих этапов возможны утечки и аварийные ситуации, при которых перемещенные природные радионуклиды или радиоактивные вещества антропогенного происхождения загрязняют окружающую среду.

При добычи урана главный излучатель - 222Rn. Масштабы его выделения составляют около 1 ГБк на тонну руды с содержанием 1% оксида урана U3O8. Мировая добыча урановых руд составляет примерно 40 тыс. т/год.