close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

В каждом человеке солнце;pdf

код для вставкиСкачать
Радиация и жизнь
Радиационная безопасность
Бадун Геннадий Александрович
[email protected]
В чем опасность ионизирующего излучения?
 Под действием ионизирующего излучения происходит
ионизация молекул , возбуждение молекул и образование
радикалов. Созданные частицы очень реакционно-способны
и вступают в различные химические реакции.
 Радиолиз воды
Н2O ==> H2O+ + еН2O+ + H2O --> H3O+ + OH
e- + H2O --> H2O- --> H + OHНО + ОН --> Н2О2
H + O2 --> HO2
 В живых организмах промежуточные радикалы и ионы
реагируют с биомолекулами, изменяя их (окисление,
замещение функциональных групп, деструкция, сшивка
полимеров)
 Результат: нарушение нормальной деятельности клеток,
органов и организма в целом.
Радиолиз воды и последствия этого для
живых организмов
Инициированные действием радиации процессы влияют
на функционирование клеток, органов и организма в
целом. Наиболее «слабое звено» – ДНК и РНК.
Глубокие
нарушения
жизнедеятельности
вызываются
ничтожно
малыми
количествами
поглощаемой
энергии.
Смертельная доза радиации соответствует
поглощенной энергии, которая привела бы к
нагреву тела всего на 0,001°С.
Теория мишени
Лучевое повреждение развивается при попадании энергии в
особенно радиочувствительную часть клетки — «мишень».
… теория липидных радиотоксинов, теории эффекта «свидетеля» …
Специфика биологического действия
ионизирующего излучения (БДИИ)
Для БДИИ характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого
поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода
может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от
дозы облучения, условий облучения и радиочувствительности организма.
БДИИ не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может
распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием
на наследственный аппарат организма.
Эффекты, вызываемые БДИИ
Ионизирующая радиация при воздействии на организм
человека может вызвать два вида эффектов, которые
клинической медициной относятся к болезням:
детерминированные пороговые эффекты (лучевая
болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое
бесплодие, аномалии в развитии плода и др.) и
стохастические (вероятностные) беспороговые
эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы,
наследственные болезни).
Количественные характеристики БДИИ
Характеристика
Область применения
Поглощенная доза
энергетическая характеристика действия ИИ
Эквивалентная доза
оценка стохастических эффектов различных
видов ИИ
Эффективная доза
оценка общего вреда ИИ для человека
Коллективная
эффективная доза
оценка эффективности радиологической
защиты населения при облучении малыми
дозами
Керма
оценка воздействия косвенно ионизирующего
излучения
Экспозиционная доза
мера ионизации воздуха косвенно
ионизирующим излучением
Поглощенная доза
Доза поглощенная (D) - величина энергии ионизирующего
излучения, переданная веществу:
D = dE/dm
где: dЕ - средняя энергия, переданная ионизирующим
излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме,
dm
масса
вещества
в
этом
объеме.
Энергия может быть усреднена по любому определенному
объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной
энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема.
В единицах СИ поглощенная доза измеряется
в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг),
и имеет специальное название - Грей (Гр) англ. Gray (Gy).
1 Гр = 1 Дж/кг
Внесистемная единица рад, в английской транскрипции rad
(radiation adsorbed dose).
1 рад = 0,01 Гр
Louis Harold Gray (10 November 1905 – 9 July 1965)
Эквивалентная доза
Доза эквивалентная (HT, R) - поглощенная доза в органе или ткани,
умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент
данного вида излучения, WR:
HT, R = WRxDT,R
где:
DT,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани T,
WR - взвешивающий коэффициент для излучения R.
Единица измерения (СИ)
Зиверт (Зв) Sievert (Sv)
Внесистемная единица
бэр (биологич. эквивалент рентгена)
англ.
Взвешивающие
для
rem (roentgen equivalent in man)
1 бэр = 0,01 Зв
коэффициенты для отдельных видов
расчете эквивалентной дозы (WR) -
излучения при
используемые в радиационной защите множители поглощенной
дозы, учитывающие относительную эффективность различных
видов излучения в индуцировании биологических эффектов .
Rolf Maximilian Sievert (6 May 1896 – 3 October 1966)
 Взвешивающие коэффициенты для
различных типов излучений
Эффективная доза
Доза эффективная (E) - величина, используемая как мера
риска возникновения отдаленных последствий облучения
всего тела человека и отдельных его органов и тканей с
учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму
произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на
соответствующие взвешивающие коэффициенты:
H T,R- эквивалентная доза в органе или ткани T,
WT - взвешивающий коэффициент для органа или ткани T.
Единица эффективной дозы - зиверт (Зв) Sievert (Sv) .
Взвешивающие коэффициенты для тканей и
органов при расчете эффективной дозы
Керма
В качестве количественной меры взаимодействия косвенно
ионизирующего излучения с веществом используется керма
(kerma - kinetic energy released in material)
K = dE/dm
dE – полная кинетическая энергия всех заряженных частиц,
возникающих под действием косвенно ионизирующего излучения
(фотоны или нейтроны) в элементарном объеме;
dm - масса этого объема.
Единица измерения - Грей [Дж/кг]
Для низкоэнергетических фотонов (E<10 МэВ) керма численно
приблизительно равна поглощённой дозе
Экспозиционная доза
Экспозиционная доза — мера ионизации воздуха в результате
воздействия на него рентгеновского и -излучения.
Определяется зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе
вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц:
X=dQ/dm
Единица экспозиционной дозы Кл/кг англ. C/kg
Внесистемная единица Рентген (Р) англ. Roentgen (R).
Рентген – это экспозиционная доза рентгеновского и
гамма -излучения, создающая в 1 см3 воздуха при
температуре О°С и давлении 760 Тор. Суммарный заряд
ионов одного знака в одну электростатическую единицу
количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р
соответствует 2.08*109 пар ионов.
1 Кл/кг = 3876 Р; 1 Р = 2,57976·10−4 Кл/кг
Wilhelm Conrad Röntgen (27 March 1845 – 10 February 1923)
Связь между экспозиционной и поглощенной
дозами
Поглощенная доза – энергетическая характеристика
взаимодействия ионизирующего излучения с любым
веществом. Экспозиционная доза характеризует ионизацию
воздуха косвенно ионизирующим излучением. Однако в
ряде случаев можно установить некоторые соотношения
между этими величинами.
Для атмосферного воздуха 1 Р = 0,87 рад = 8,7 мГр
Для фотонного излучения 0,1 МэВ
1 Р = 0,95 рад = 9,5 мГр для мягких биологических тканей
1 Р = 1,45 рад = 14,5 мГр для костей
Для фотонного излучения 1 МэВ
1 Р = 0,96 рад = 9,6 мГр для мягких биологических тканей
1 Р = 0,92 рад = 9,2 мГр для костей
Для фотонов с Еγ>0,2 МэВ 1 Р ~ 10±1 мГр
Воздействие различных доз облучения на
человеческий организм
Доза, Гр
Результат воздействия
0.1
1.0
3-5
Уровень удвоения вероятности генных мутаций
Доза возникновения острой лучевой болезни
Без лечения 50% облученных умирает в течение
1-2 месяцев вследствие нарушения деятельности
клеток костного мозга
Смерть наступает через 1-2 недели вследствие
поражений желудочно-кишечного тракта
10 - 50
100
Смерть наступает через несколько часов или дней
вследствие повреждения центральной нервной
системы
Риск возникновения онкологических
заболеваний при облучении человека
Орган
Смертельно, Зв-1
Излечимо, Зв-1
Молочная железа
2,5 10-3
1,5 10-3
Костный мозг
2,0 10-3
0,1 10-3
Легкие
2,0 10-3
0,1 10-3
Щитовидная железа
0,5 10-3
1 10-2
Эндостальные клетки
0,5 10-3
0,1 10-3
Кожа
0,1 10-3
1 10-2
Остальные органы
5,0 10-3
1,5 10-3
1,26 10-2
2,33 10-2
Всего
Нормы и правила
Основные принципы
Принцип обоснования: Любое решение, которое приводит к
возникновению ситуации облучения, должно приносить больше
пользы, чем ущерба.
Принцип оптимизации: Вероятность возникновения облучения,
число облученных лиц и величины их индивидуальных доз должны
быть настолько низки, насколько это разумно достижимо с учетом
экономических и социальных факторов.
Принцип нормирования (применения пределов дозы):
Суммарная доза излучения для индивидуума от регулируемых
источников в ситуациях планируемого облучения (кроме
медицинского облучения пациентов) не должна превышать
соответствующих пределов дозы.
Допустимые пределы доз
Нормируемые
величины*
Пределы доз
Персонал
Население
20 мЗв в год в среднем за любые
последовательные 5 лет, но не
более 50 мЗв в год
1 мЗв в год в среднем за любые
последовательные 5 лет, но не
более 5 мЗв в год
в хрусталике глаза
150 м3в
15 м3в
коже
500 мЗв
50 м3в
кистях и стопах
500 мЗв
50 м3в
Эффективная доза
Эквивалентная доза за год
Нормируются также загрязненность различных поверхностей,
содержание радионуклидов в воздухе, воде, пище.
Допустимые уровни радиоактивного
загрязнения поверхностей, част/(см2 мин)
Объект загрязнения
α-активные нуклиды
α-активные нуклиды
(ДОА < 0,3 Бк/м3)
прочие
например, 232Th, 241Am
β-активные
нуклиды
Неповрежденная
кожа, спецбелье, полотенца,
внутренняя поверхность
лицевых частей средств
индивидуальной защиты
2
2
200
40 (90Sr + 90Y)
Основная
спецодежда, внутренняя
поверхность дополнительных
средств индивидуальной
защиты, наружная
поверхность спецобуви
5
20
2000
Поверхности помещений
постоянного пребывания
персонала и находящегося в
них оборудования
5
20
2000
Поверхности помещений
периодического пребывания
персонала и находящегося в
них оборудования
50
200
10000
Ослабление потока фотонов веществом


σ ρ
= −[
 =



σ ρ

]Φ
[см-1]
= −Φ
/ =
σ

[см2/г]
σ - «атомное» сечение взаимодействия;
ρ – плотность вещества;
NA – число Авагадро;
A – атомная масса
Варианты взаимодействия γ-излучения
с веществом
Объекты
взаимодействия
Поглощение
Орбитальные
электроны
Фотоэффект
σ~Z4
Ядерные поля
Образование пар
σ~Z2
Ядра
Рассеяние
упругое
неупругое
Релеевское
рассеяние
σ~Z2
Комптоновское
рассеяние
σ~Z
(γ,n); (γ,p)
(γ,γ)
(γ,γ´)
ядерные реакции ядерные реакции ядерные реакции
σ~Z
σ~Z
σ~Z
Зависимость массового коэффициента ослабления
в алюминии от энергии γ-излучения
Области преобладания трех основных
форм взаимодействия фотонов
с веществом на диаграмме E - Z
Ослабление потока частиц (фотонов) веществом
 =  
/ = 
 

σe - «электронное» сечение
взаимодействия;
ρ – плотность вещества;
NA – число Авагадро;
A – атомная масса
z – атомный номер
Материал
z/A
Водород
1.0
Тритий
0.33
Углерод
0.50
Вода
0.55
Биологическая ткань
0.56
Воздух
0.50
Керма в воздухе и в биологической ткани

= −Φ

 

( ) = −Φ( )
 




= ( )Φ [Дж/кг]  = Φ − поток энергии

=


Керма:
 = 
 

Ψ
Отношение биологическая ткань/воздух
ткань
 воздух
≈(z/A)ткань / (z/A)воздух ≈ 1.1
Отношение зависит от E
 ткань
= .  ± .  для  = .  −  МэВ
 воздух
Как определить эквивалентную дозу в организме,
создаваемую рентгеновским и γ-излучением?
K = Kcol + Krad
Kcol - collision kerma
Krad - radiative kerma

( ) =  (
)

X – экспозиционная доза (в воздухе);

= .  эВ/пара ионов

−
( ) = .  × 
Кл
Дж
сГр
. 
 = . 

кг Р
Кл
Р
 →  → ( ) →  →  → 
[Editor
Podgorsak E. Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students.
AEA, Vienna, 2005, - 696 p.]
Защита от избыточного облучения
на рабочем месте
D – поглощенная доза, A – радиоактивность, Kγ – коэффициент ,
t – время, r – расстояние.
Минимизация облучения обеспечивается: сокращением времени
работы с источником ИИ, минимизацией используемой радиоактивности,
увеличением расстояния. Если этих мер недостаточно, используют
дополнительную защиту. Для γ–излучения – это свинцовые кирпичи
(большое Z).
Для α-излучения и мягкого β-излучения в отсутствии γ–компоненты
применяют особые меры работы, защищающие персонал от попадания
радиоактивного вещества внутрь организма; внешнее облучение
практического невозможно ввиду малого пробега излучения. Для жесткого
β-излучения устанавливают экраны (материалы с малым Z, не свинец!)/
Защита от избыточного облучения
на рабочем месте
Прохождение через защитный экран узкого (а) и широкого (б) пучка γизлучения: 1 – источник излучения; 2 – поглощающий экран; 3 –
диафрагма; 4 – дозиметр.
Дозовый фактор накопления BD зависит от энергии γ-квантов, атомного
номера материала поглотителя Z, толщины поглотителя l .
Расчет защиты от внешнего источника излучения будет разбираться на
семинарах. Примеры задач приведены в пособии:
М.И. Афанасов, А.А. Абрамов, С.С. Бердоносов. Сборник задач "Основы
радиохимии и радиоэкологии". (2012 г.)
Расчет дозы, создаваемой 40K в организме
человека
Пробег β-частиц Rmax =0,55 г/см2 для Emax = 1,3 МэВ в биологической ткани
≈0,5 см → практически все β-излучение задержится внутри тела.
Для E = 1,46 МэВ µ(ткань) = 0,025 см-1 ; слой половинного ослабления 28
см, вероятность на распад 10,7 % → пренебрегаем вкладом -излучения.
В организме человека массой 70 кг радиоактивность 40K 5600 Бк.
Интенсивность выделения энергии при β-излучении 40K
0,893*5600 Бк*(0,4*1,3 Мэв*1,6 10-13 Дж/МэВ) = 4,16 10-10 Дж/с
Мощность дозы 4,16 10-10 Вт/70 кг = 5,9 10-12 Гр/с
При разовом поступлении радионуклида в организм создаваемая доза будет зависеть от
скорости его радиоактивного распада и скорости его выведения из организма.

=

0
D – поглощенная доза [Гр]; P - мощность поглощенной дозы [Гр/с].
Так как скорость выведения радионуклида пропорциональна его содержанию в организме,
применяется экспоненциальная модель, аналогичная радиоактивному распаду. Тогда
мощность дозы будет меняться по закону
 = 0exp(−( + b)t)
 и b – константы, характеризующие скорости радиоактивного распада (постоянная
распада) и биологического выведения радионуклида.

 = 0 0  −(+b)t  = 0 (1 −  −(+b)t )
  + b
∞
 = 0
0
 −(+b)t  =
0
 + b
Период полувыведения (T1/2)b — время, в течение которого концентрация препарата в
организме снижается на 50 % за счет его биологического выведения.
Период полураспада (T1/2)r— время, в течение которого радиоактивность препарата в
организме снижается на 50 % за счет радиоактивного распада.
Эффективный период полувыведения препарата (T1/2)eff— время, в течение которого
радиоактивность препарата в организме снижается на 50 % за счет радиоактивного
распада и биологического выведения.
1
1
1
=
+
(T1/2)eff (T1/2)b (T1/2)r
Задача. Определите объем плазмы крови и поглощенную дозу, полученную
пациентом массой 60 кг, если ему через вену в кровь ввели 1 мл тритиевой воды
(НТО) радиоактивностью 1 МБк, и через 10 минут радиоактивность крови
достигла максимального значения 11000 dpm/мл (dpm=расп/мин). Плазма
составляет 55 % объема крови; (T1/2)b для НТО составляет 8 суток; период
полураспада трития (T1/2)r=12,3 года, средняя энергия β-излучения Eср. = 5,6 кэВ.
Объем плазмы крови:

106 Бк
=
=
= 3 103 мл
уд 11000 Бк /0,55
60 мл
Энерговыделение при распаде трития 5,6 кэВ/распад*1,6 10-16 Дж/кэВ = 9,0 10-16
Дж/распад
1 МБк * 9,0 10-16 Дж/распад = 9,0 10-10 Дж/с
При равномерном распределении трития в организме мощность дозы
P0 = 9,0 10-10 Вт/60 кг = 1,5 10-11 Гр/с
Так как (T1/2)r / (T1/2)b = 562, изменение содержания трития из организме
определяется скоростью его физиологического выведения. Поглощенная доза на
весь организм:
 = 0
∞ − t
 b
0
 =
0
b
= (T1/2)b
0
2
= 8 ∗ 24 ∗ 3600 с *1,5 10-11 [Гр/с]/0,693 = 15 мкГр
Задача. Пациенту массой 80 кг при ПЭТ-исследовании ввели 10 мКи (370 МБк)
метионина, меченного С-11. Определите эквивалентную дозу, полученную
пациентом.
Слой половинного ослабления для γ-квантов с энергией 0,51 МэВ в
биологической ткани 23 см. Период полураспада 11С (T1/2)r=20 мин,
максимальная энергия β+ излучения Emax=0,96 МэВ. (T1/2)b метионина 60 минут
Так как пробег позитронов с энергией 1 МэВ в биологической ткани менее 0,4
см, будем считать, что вся энергия β+ излучения поглощается телом пациента.
При аннигиляции позитрона образуется 2 γ-кванта с энергией 0,51 МэВ. Слой
половинного ослабления для γ-квантов с энергией 0,51 МэВ в биологической
ткани 23 см. Будем считать, что половина γ-квантов поглощается телом
пациента. Тогда для 10 мКи 11С энерговыделение составит:
370 МБк *(0,4*0,96 + 2*0,5*0,51)МэВ *1,6 10-13 [Дж/МэВ] = 5,3 10-5 Дж/с
Мощность дозы в начальный момент P0 = 5,3 10-5 Вт/80 кг = 6,62 10-7 Гр/с
Так как (T1/2)b и (T1/2)r сопоставимы по величине, уменьшение содержания
(11С)метионина в организме будет как за счет радиоактивного распада, так и
биологического выведения. Рассчитаем (T1/2)eff :
1/60+1/20=1/15. (T1/2)eff = 15 мин = 900 с.
Поглощенная доза на весь организм:

 = (T1/2)eff 20 = 900 с *6,62 10-7 [Гр/с]/0,693 = 0,86 мГр
Так как взвешивающие коэффициенты для γ- и β-излучения равны 1,
эквивалентная доза, полученная пациентом, составит 0,86 мЗв.
Зависимость вероятности возникновения
смертельных радиогенных эффектов
от поглощенной дозы
Официально принята линейная беспороговая
модель воздействия излучения
Возможно ли защитное действие малых доз?
Гормезис (от греч. hórmēsis
быстрое движение, стремление)
— стимулирующее действие
умеренных доз стрессоров;
стимуляция какой-либо системы
организма внешними
воздействиями, имеющими силу,
недостаточную для проявления
вредных факторов.
Смертность от лейкемии у лиц, переживших
атомную бомбардировку Хиросимы и Нагасаки
Радиоактивность человека
Оценка эквивалентной годовой дозы,
получаемой человеком, мЗв
Источник
Среднемировая
доза
Типичный диапазон
Космическое излучение
0,4
0,3-1
Гамма-излучение Земли
0,5
0,3-0,6
Ингаляции (222Rn, 220Rn и
продукты их распада)
1,3
0,2-10
Внутреннее облучение
0,2
0,2-0,8
Итого природные источники
2,4
1-12,4
Медицинское облучение
0,4
Глобальные выпадения
0,005
Профессиональное облучение
0,0005
Загрязнение территорий
0,002
Итого искусственные источники
0,4
0-1,6
Всего
2,8
1-14
Изменение структуры коллективной
эффективной дозы в современном мире
(на примере населения США)
http://www.physics.isu.edu/radinf/natural.htm
40
Надо знать и правильно применять правила и нормы,
и тогда жизнь будет долгой и счастливой.
Главное следствие применения принципов РБ
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа