Файл: Учебное пособие Рекомендовано методической комиссией отделения ядерной физики физического факультета мгу москва 2019.pdf

13
Радиационная безопасность
1.3. Нормирование и пределы индивидуальных доз
МКРЗ рекомендует, чтобы индивидуальное облучение было ограничено дозовыми пределами, которые вводятся с целью предотвращения неприемлемого риска, исключения детерминированных эффектов и минимизации стохасти- ческих эффектов для любого человека.
Дозовые пределы определяются как уровень дозы, который не должен быть превышен при нормальных контролируемых условиях практической деятельности. Дозовые ограниче- ния — это способ контроля доз от нескольких источников.
Граничная доза — это ограничение максимальной дозы, которая может быть получена от отдельного источника.
Установленные законом ведомства контролируют потен- циальные дозы облучения местного населения, применяя соответствующие дозовые ограничения.
Принципы радиационной защиты должны осущест- вляться на трех уровнях: регулирующем, административном и эксплуатационном.

Глава 2.
Физические основы радиационной безопасности
2.1. Ионизирующее излучение
Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образова- нию в этом веществе ионов разных знаков. Ионизирующее излучение представляет собой поток частиц, обладающих дискретным или непрерывным спектром энергии. Эти ча- стицы могут обладать электрическим зарядом (α-частицы и электроны) или не иметь (гамма-кванты и нейтроны) электрического заряда.
Ионизирующее излучение делится на непосредственное и косвенное. Непосредственное ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, например, из электронов, протонов, α-частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении, которые выбивают орбитальные электроны из атомов прямо при кулоновском взаимодействии.
Косвенное ионизирующее излучение состоит из неза- ряженных частиц, например, из нейтронов или фотонов, создающих непосредственно ионизирующее излучение и
(или) вызывающих ядерные превращения. Энергия этих частиц передается вначале заряженной частице (электрону или протону), а затем эти вторичные частицы уже производят ионизацию атомов и (или) вызывают ядерные превращения.

15
Радиационная безопасность
К фотонному излучению относятся: γ-излучение, воз- никающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при ан- нигиляции частиц; тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц; характеристи- ческое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома; рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.
К корпускулярному излучению относится ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, т.е. α-и β-частицы, нейтроны, протоны, мезоны и др.
Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различ- ного вида или частиц и фотонов, называется смешанным
ионизирующим излучением.
Различают моноэнергетическое и немоноэнергетическое ионизирующее излучение. Под моноэнергетическим по- нимается ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией. Немоноэнергетическое излучение имеет фотоны разной энергии или частицы одного вида с разной кинетической энергией.
Законы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом являются теоретической и практической основой радиационной защиты, на них базируются методы расчета защиты и методы регистрации ионизирующего излучения.

16
Библиотека медицинского физика с электронами атомов, а также с электрическим полем ядра.
В процессе взаимодействия с электронами атомов кинети- ческая энергия α- и β-частиц растрачивается на ионизацию, т.е. на отрыв электронов от атома, и на возбуждение атомов и молекул (ионизационные потери энергии).
Взаимодействуя с электрическим полем ядра, заря- женная частица тормозится и меняет направление своего движения, при этом происходит испускание излучения, которое по своей характеристике близко к рентгеновско- му и называется тормозным рентгеновским излучением.
Уменьшение кинетической энергии заряженных частиц в электрическом поле ядра составляет радиационные потери, которые будут тем значительнее, чем больше порядковый номер атомов среды (плотность вещества) и энергия частиц.
Исходя из этого, в практической работе для защиты от бета-излучения целесообразно использовать материалы малой плотности, такие, как плексиглас, стекло, полимеры и т.п. При прохождении через вещество заряженных частиц происходит передача ими своей энергии, расходующейся на возбуждение и ионизацию атомов и молекул. Для коли- чественного определения переданной веществу энергии вводят понятие линейной передачи энергии S:
S=dE/dl,
где dE — энергия, теряемая заряженной частицей в среде при прохождении элемента пути dl.
Заряженные частицы проходят разное расстояние в ве- ществе в зависимости от их энергии и свойств мишени. Для количественного определения этого расстояния вводят по- нятие длины свободного пробега частицы. Можно показать, что длина свободного пробега обратно пропорциональна отношению Z/A, где Z — атомный номер атомов мишени,

17
Радиационная безопасность
а А — их массовое число. В воздухе на 1 см пути α-частица образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как β-частица — 50–100 пар ионов.
Проходя через вещество, заряженные частицы постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей ве- личины в конце пути. Процесс ионизации будет происходить до тех пор, пока энергия α- и β-частиц будет способна произ- водить ионизацию. В конце пробега α-частица присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия, а β-частица
(электрон) может включиться в один из атомов среды или на какое-то время остается свободным электроном.
Путь, проходимый α- или β-частицей в веществе, на про- тяжении которого она производит ионизацию, называется пробегом частицы. Пробег α-частиц в воздухе может дости- гать 10 см, а в мягкой биологической ткани – нескольких десятков микрон. Пробег бета-частиц в воздухе достигает
25 см, а в биологической ткани до 1 см.
2.3. Взаимодействие гамма-излучения с веществом
Гамма-кванты при прохождении через вещество спо- собны взаимодействовать с ним тремя путями:
• фотоэффект, при котором γ-квант выбивает из элек- тронной оболочки атома электрон и передает ему свою энергию;
• комптоновское рассеяние, при котором γ-квант выби- вает из электронной оболочки атома электрон и передает ему часть своей энергии;
• для γ-квантов с энергиями превышающими 1.02 МэВ возможно образование электрон-позитронных пар при прохождении квантов в поле атомного ядра.

18
Библиотека медицинского физика
Нейтроны, проходя через вещество вызывают ядерные реакции так, что в конечном итоге образуются заряженные частицы.
2.4. Дозиметрические величины
Основной физической величиной, используемой в ра- диационной защите для оценки эффектов влияния иони- зирующих излучений на живой организм, является погло- щенная доза, усредненная по органу или ткани (т. е. средняя поглощенная доза; энергия, полученная органом, деленная на массу этого органа или ткани). Для детерминированных эффектов (тканевых реакций) поглощенная доза усредня- ется по сильно облученной части ткани, такой как объем облученной кожи в прямом поле излучения. Единицей СИ поглощенной дозы является джоуль на килограмм (Дж/кг) и ее специальное наименование — грей (Гр).
При медицинской визуализации с использованием рентгеновских лучей поглощенные дозы в органах или тканях пациента, подвергающегося диагностическим или интервенционным процедурам, обычно не могут быть пря- мо измерены. Поэтому для управления дозой, получаемой пациентом, используются измеряемые величины, которые характеризуют поле внешнего излучения. К ним относятся такие простые величины, как поглощенная доза в тканеэ- квивалентном материале на поверхности тела или в фан- томе, но также и ряд других величин различной сложности в зависимости от природы рентгеновского оборудования.
В ядерной медицине используемой измеряемой величиной является введенная активность в беккерелях (Бк).
Некоторые виды излучений более эффективны, чем другие, в отношении вызываемых ими последствий влия- ния ионизирующих излучений на живой организм. Чтобы

19
Радиационная безопасность
учесть это, была введена величина эквивалентной дозы
(средняя поглощенная доза в органе или ткани, умножен- ная на безразмерный весовой фактор излучения). Для всех основных излучений, используемых в медицине (фотоны и электро-ны), весовому фактору излучения присваивает- ся значение 1, так что поглощенная доза и эквивалентная доза численно равны. Для альфа-частиц и тяжелых ионов весовой фактор излучения равен 20, для протонов весовой фактор излучения равен 2, а для нейтронов весовой фактор излучения является непрерывной функцией энергии ней- тронов, падающих на тело. Специальное название единицы эквивалентной дозы — зиверт.
Облучение различных органов и тканей в организме приводит к различным вероятностям вреда и различным степеням тяжести. Сочетание вероятности и степени тяжести называется «ущербом», имеется в виду ущерб здоровью.
Чтобы выразить комбинированный ущерб от стохастических эффектов, связанный с эквивалентными дозами во всех органах и тканях тела, эквивалентная доза в каждом органе и ткани умножается на весовой фактор ткани, и результаты суммируются по всему телу, что дает эффективную дозу.
Специальное название для единицы эффективной дозы — также зиверт (Зв).

Глава 3.
Биологические основы радиационной безопасности
Ионизирующие излучения обладают чрезвычайно вы- сокой биологической эффективностью. Мера чувствитель- ности различных организмов к воздействию ИИ варьирует в широком диапазоне и называется радиочувствитель- ностью. Радиочувствительность отдельного индивида зависит от возраста (наиболее устойчив зрелый возраст), пола и сильно различается уже в пределах одного вида. На уровне организма также существуют свои критические, к действию ИИ, органы, ткани и клетки.
Энергия ИИ передается атомам и молекулам окружа- ющей среды. При первичных радиационно-химических изменениях молекул среды различают прямое и косвенное воздействие ИИ. При прямом воздействии молекула претер- певает изменения непосредственно при взаимодействии с ионизирующим излучением. При косвенном воздействии молекула непосредственно не поглощает энергию от ио- низирующих излучений, а получает ее от других молекул.
Поскольку живая материя на 70–90 % состоит из воды, то большая часть энергии излучения первично поглощается именно молекулами воды. Таким образом, в основе косвенного действия ионизирующего излучения лежит воздействие про- дуктов радиолиза воды на биомолекулы. В целом для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, образования радиотоксинов.

21
Радиационная безопасность
При воздействии ионизирующего излучения в воде идут процессы ионизации или возбуждения. В результате иони- зации из молекулы воды выбивается электрон, и образуется положительно заряженная молекула воды. Если энергии для ионизации недостаточно, то возможно образование возбужденной молекулы воды (H
2
O
*
). Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды.
Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (H
2
O
+
,H
2
O
-
,H
2
O
*
) являются не- стабильными и могут распадаться с образованием ионов и свободных радикалов.
Кроме того, выбитый электрон может окружить себя че- тырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон , а затем может быть захвачен молекулой H
2
O
+ с образованием возбужденной молекулы воды. Возбужден- ная молекула воды распадается на атомарный водород H
+
и гидроксильный радикал OH
-
. Образовавшиеся радикалы могут вступать в реакцию с другими молекулами воды.
Продукты радиолиза воды способны вырывать атом во- дорода из органических молекул, превращая их в радикалы.
Также продукты радиолиза воды могут реагировать с молекулами растворенного кислорода, в результате чего образуются перекисные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью.
Необходимо отметить, что в присутствии кислорода об- разуются дополнительные реакционноспособные радикалы, которые обладают выраженным поражающим действием.
Кроме того, молекула кислорода обладает электронакцеп- торными свойствами, активно взаимодействует с образую- щимися при действии излучения радикалами биологических

22
Библиотека медицинского физика молекул — фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их труднодоступными для репарации.
То есть, в присутствии кислорода отмечается усиление лучевого повреждения по сравнению с анаэробными ус- ловиями. Это явление известно в радиобиологии как кис- лородный эффект. Количественной мерой кислородного эффекта служит коэффициент кислородного усиления. При облучении отдельных клеток он равен 3, т. е. в присутствии кислорода лучевое повреждение усиливается втрое.
Таким образом, в формировании лучевого повреждения кислород ведет себя двояко: усиливая первичные про- цессы повреждения в момент воздействия излучения, он одновременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления после облучения.
Также кислородный эффект зависит от линейной пере- дачи энергии (ЛПЭ): с увеличением ЛПЭ он уменьшается и при действии, например, альфа-излучения исчезает.
Таким образом, в клетках живого организма крупные органические молекулы повреждаются прямым действием
ИИ либо продуктами радиолиза воды. В результате, спрово- цированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением, что, в конечном итоге, приводит к нарушению биохимических процессов в организме.
Степень и характер лучевого поражения организма при больших дозах обусловлены радиочувствительностью об- лученных тканей и органов, а также поглощенной дозой, в том числе и ее распределением во времени. Факторы, определяющие радиочувствительность на тканевом уров- не — пролиферативная
1
активность клеток ткани и степень дифференцирования клеток, составляющих данную ткань.
1
Пролиферация (от лат. proles — отпрыск, потомство и fero — несу): разрас- тание ткани организма путём размножения клеток.

23
Радиационная безопасность
На тканевом уровне выполняется правило Бергонье-Три- бондо, что радиочувствительность ткани прямо пропор- циональна пролиферативной активности и обратно про- порциональна степени дифференцирования составляющих ее клеток. То есть, наиболее радиочувствительные ткани в организме имеют резерв активно размножающихся малодифференцированных клеток — это кроветворная ткань, гонады, эпителий тонкого кишечника. Наименее радиочувствительные (наиболее радиорезистентные) ткани в организме — высокоспециализированные ма- лообновляющиеся (мышечная, костная, нервная ткани).
Исключением из правила Бергонье-Трибондо являются лимфоциты, высокоспециализированные клетки с высокой радиочувствительностью.
На органном уровне радиочувствительность зависит не только от радиочувствительности тканей, составляющих данный орган, но и от его функций.
Семенники. Их клетки находятся на разных стадиях раз- вития, наиболее радиочувствительные — сперматогонии, наиболее радиорезистентные — сперматозоиды. После однократного облучения в дозе 0,15 Гр количество спермы может уменьшиться, после облучения в дозе 3,5-6 Гр насту- пает постоянная стерильность
2
Яичники. В яичниках взрослой женщины содержится популяция первичных и вторичных овоцитов, находящихся на разных стадиях развития (их образование заканчивается в ранние сроки после рождения). Данная особенность опре- деляет высокую радиочувствительность женских половых клеток и их неспособность к регенерации. Воздействие однократного облучения в дозе 1-2 Гр на оба яичника вызы- вает временное бесплодие и прекращение менструаций на
2 Следует отметить, что облучение не оказывает видимого влияния на половую потенцию.