Лабораторная работа №1 "Исследование радиационного загрязнения окружающей среды"

     1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

     Сформировать представление о сущности и биологическом действии ионизирующих излучений, нормировании и обеспечении радиационной безопасности.

     2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

     Ионизирующим излучением называют любое излучение, прямо или косвенно вызывающее ионизацию среды. Ионизирующие излучения возникают в процессе естественного спонтанного распада атомных ядер радионуклидов или могут быть получены искусственно. Радионуклиды – общее название группы химических элементов или их изотопов, имеющих нестабильные атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться с испусканием характерных излучений.
     Естественное ионизирующее излучение складывается из излучения, приходящего из космического пространства (солнечное и галактическое) и излучения от радионуклидов, рассеянных в земной коре, воздухе, воде и внутри живых организмов. Искусственное ионизирующее излучение создаётся за счёт действия антропогенных факторов: разработка радиоактивных руд, сжигание минерального сырья, ядерные взрывы (военные и в мирных целях), применение радионуклидов в науке и различных отраслях хозяйства (медицина, энергетика и др.), ядерно-технические установки (подводные лодки и др.), аварии на атомных электростанциях и предприятиях, обращение радиоактивных отходов.
     Естественная радиация не оказывает неблагоприятного влияния на живые орга-низмы, населяющие биосферу, поскольку они к ней приспособлены. Опасность для живых организмов создаёт искусственное ионизирующее излучение, являющееся источником радиационного и радиоактивного загрязнения биосферы: радиационное обусловлено действием ионизирующих излучений, радиоактивное связано с превы-шением естественного уровня содержания радионуклидов в окружающей среде.
     Ионизирующие излучения бывают двух типов:
     1. Ф о т о н н ы е, представляющие собой коротковолновые электромагнитные колебания:
     – гамма (γ): λ ≤ 1 Å;
     – рентгеновское: λ = 0,06 - 20 Å.
     2. К о р п у с к у л я р н ы е, состоящие из элементарных частиц, заряженных положительно или отрицательно, либо нейтральных:
     – альфа (α): поток ядер атомов ⁴He, состоящих из 2-х протонов и 2-х нейтронов и с положительным зарядом, равным двум элементарным зарядам (Элементарный заряд равен заряду одного электрона: e = 1,6·10^–19 Кл.);
     – бета (β): поток электронов и/или позитронов (частиц с массой, равной массе электрона, но положительным зарядом);
     – нейтронное: поток нейтронов (незаряженных элементарных частиц);
     – протонное излучение ускорителей и др.
     Естественными видами ионизирующих излучений являются α-, β- и γ-излучения, остальные получают искусственно в специальных устройствах (рентгеновская трубка, ускорители заряженных частиц – циклотроны, фазотроны, синхро-фазотроны и др.)
     Биологическое действие ионизирующих излучений заключается в том, что поглощённая живым организмом энергия расходуется на разрыв химических связей и разрушение клеток живой ткани.
     Основными характеристиками ионизирующих излучений, определяющими эффект их воздействия на биологические объекты, являются ионизирующее действие и проникающая способность. Ионизирующее действие заключается в том, что при прохождении излучения по тканям живого организма нейтральные атомы и молекулы, входящие в состав тканей, приобретают положительный или отрицательный заряд, превращаясь, таким образом, в ионы. Проникающая способность представляет собой способность ионизирующих излучений проникать в глубину тканей живого организма.
     Ионизирующее действие излучений возрастает, а проникающая способность падает в ряду:
     гамма (γ) → рентгеновское → нейтронное → бета (β) → альфа (α)
     Действие ионизирующих излучений на организм называют облучением. Облучение может быть внешним и внутренним. Внешнее облучение представляет собой облучение от источника, находящегося вне организма. Внутреннее облучение наблюдается при попадании радионуклидов внутрь организма (с воздухом, водой, пищей). Внутреннее облучение во много раз опаснее внешнего, так как в этом случае облучение непрерывно и ему подвергаются практически все органы. При внешнем облучении опасность ионизирующего излучения прямо пропорциональна его проникающей способности, при внутреннем – ионизирующему действию.
     В результате облучения внутри тканей живого организма протекают сложные процессы, которые делят на два этапа:
     1. П е р в и ч н ы е или п у с к о в ы е п р о ц е с с ы, протекающие в начальный момент облучения в молекулах живых клеток и окружающего их субстрата. Их осуществление идет постадийно:
     – физическая стадия (t ≈ 10–13 c) – поглощение энергии излучения, сопровож-даемое ионизацией (отрыв электрона от атома) и возбуждением (переход электрона на более удалённую от ядра орбиту) атомов в молекулах биологической ткани;
     – физико-химическая стадия (t ≈ 10–10 c) – перераспределение избыточной энергии возбуждённых атомов, в результате чего происходит разрыв химических связей и появление частиц, обладающих высокой химической активностью – свободных радикалов и др.;
     – химическая стадия (t ≈ 10–6 c) – взаимодействие продуктов предшествующих реакций (ионов, свободных радикалов и пр.) друг с другом, а также с окружающими их молекулами биологической ткани, что приводит к возникновению биологически активных соединений, разрушающих структуру живой клетки, и вызывает, таким образом, её гибель.
     2. Развитие лучевых эффектов , являющихся следствием изменений на клеточном уровне и заключающихся в нарушении нормального течения биохимических реакций, обмена веществ и изменении структуры и функций отдельных органов и систем живого организма. Выделяют следующие типы лучевых эффектов:
     – соматические (телесные) – развиваются в ранние сроки после облучения: лучевые ожоги, катаракта глаз, острая и хроническая лучевые болезни;
     – соматико-стохастические (вероятностные) – развиваются в отдалённые сроки после облучения: нарушение кроветворения (лейкемия, лейкозы и др.), сокращение продолжительности жизни, злокачественные новообразования, эмбрио-токсический и тератогенный эффекты;
     – генетические – наследственные изменения: генные мутации и хромосомные аберрации.
     Биологическое действие ионизирующих излучений имеет ряд особенностей:
     1) Неощутимость действия на организм человека. У людей отсутствуют органы чувств, которые воспринимали бы ионизирующие излучения. Поэтому человек может вдохнуть, проглотить радионуклид без всяких первичных ощущений.
     2) Наличие латентного (скрытого) периода проявления лучевого поражения. Видимые изменения кожных покровов, недомогание, характерные для лучевого заболевания, проявляются не сразу, а спустя некоторое время.
     3) Наличие эффекта суммирования поглощённых доз, которое происходит скрыто. Если в организм человека систематически будут попадать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются, что неизбежно приводит к лучевым поражениям.
     4) Поражающие свойства радионуклидов не могут быть уничтожены ни химическим, ни каким-либо другим способом, так как процесс радиоактивного распада не зависит от внешних факторов.
     Для количественной оценки облучения используются следующие величины: активность радионуклида; экспозиционная, поглощённая, эквивалентная (эффективная) дозы.
     Активность радионуклида – это мера его количества, выраженная числом актов ядерного распада в единицу времени:

     где N_A = 6,02·10²³ – число Авогадро; m – масса радиоактивного изотопа; M – молекулярная масса изотопа; λ – радиоактивная постоянная радионуклида, характеризую-щая вероятность распада на одно ядро в единицу времени.
     Экспозиционная доза – это суммарный электрический заряд (dQ) ионов одного знака, образующихся в единице объёма сухого воздуха с массой dm в условиях электронного равновесия:

     Поглощённая доза ионизирующего излучения – это величина средней энергии излучения (dε), переданной им объёму вещества в пересчёте на единицу массы (dm) этого объёма:

     Эквивалентная доза ионизирующего излучения – это произведение поглощённой дозы на средний коэффициент опасности (коэффициент качества, W_R) вида ионизирующего излучения в данном элементе объёма биологической ткани:

H = DW_R

     Коэффициент качества является безразмерным числом и характеризует относительную биологическую эффективность вида ионизирующего излучения. Величина коэффициента качества зависит от энергии излучения и может составлять от 1 до 20.
     Эффективная эквивалентная (или просто эффективная) доза облучения – это сумма произведений эквивалентных доз в различных органах и тканях и соответствующих коэффициентов риска (взвешивающих коэффициентов, W_Т) для тканей организма:

     Взвешивающие коэффициенты учитывают разную чувствительность органов и тканей организма к излучению, их сумма всегда равна 1.
     Мощностью дозы называют отношение приращения дозы ионизирующего излучения за интервал времени к этому интервалу.
     Единицы измерения активности и доз ионизирующих излучений приведены в ПРИЛОЖЕНИИ.
     Нормирование ионизирующих излучений исходит из концепции, что абсолютно безопасных уровней облучения нет. Нормативы должны полностью исключать возможность возникновения соматических эффектов и ограничить (свести к приемлемому для индивидуума и общества) уровень возможных стохастических эффектов. Основными нормативными документами, регламентирующими уровни воздействия ионизирующих излучений на территории Российской Федерации с 02.07.1999 являются "Нормы радиационной безопасности НРБ-99" и "Санитарные правила СП 2.6.1.758-99".
     В соответствии с НРБ-99 выделяют следующие категории и группы облучаемых лиц:
     1. П е р с о н а л – лица, постоянно или временно работающие непосредственно с источниками ионизирующих излучений (группа А) и лица, по условиям работы испытывающие их воздействие (группа Б).
     2. Н а с е л е н и е – всё остальное население страны, республики, области или края, включая персонал вне сферы и условий их производственной деятельности.
     Для указанных категорий облучаемых лиц предусматриваются три класса нормативов: основные пределы доз (см. таблицу 1); допустимые уровни; контрольные уровни. Основные пределы доз не включают в себя: дозу, обусловленную естественным радиационным фоном (для России составляет в среднем 2 мЗв в год); дозу, получаемую пациентом при медицинском обследовании и лечении; дозы вследствие радиационных аварий.
     Для обнаружения ионизирующих излучений, измерения их энергии и других характеристик используются различные приборы и устройства: сцинтилляционные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера, ионизационные камеры, камеры Вильсона, рентгенометры, радиометры, дозиметры.

Таблица 1. Основные пределы доз по НРБ-99.

     Обеспечение радиационной безопасности предопределяется комплексом многообразных защитных мероприятий, в основе которых лежат следующие основные принципы:
     1) Защита количеством – уменьшение мощности источников до минимальных величин;
     2) Защита временем – сокращение времени работы (контакта) с источниками;
     3) Защита расстоянием – увеличение расстояния от источников до работающих людей;
     4) Защита экранированием – экранирование источников излучения материалами, поглощающими ионизирующие излучения (свинец, железо, бетон, бор- и свинецсодержащее стекло и др.).

     3. ЗАДАНИЕ.

     Провести измерение и оценку уровня радиационного фона объектов окружающей среды по гамма-излучению.

     4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

     К работе допускаются студенты, прочитавшие методические указания и ответившие на контрольные вопросы (см. раздел 6).
     Оборудование и материалы
     Ручной дозиметр любой имеющейся марки.
     Ход работы
     1. Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с инструкцией по эксплуатации дозиметра.
     2. Провести не менее 5 измерений мощности эффективной дозы (МЭД) внешнего гамма-излучения по каждому объекту и занести их в столбец 3 таблицы 2.
     3. Вычислить среднее арифметическое значение МЭД путём деления суммы показаний дозиметра на их количество. Результат занести в столбец 4 таблицы 2.
     4. Перевести полученную величину в нормируемые единицы (мкЗв/ч в мЗв/год), приняв среднее количество часов в году t = 8760 ч. Результат расчётов занести в столбец 5 таблицы 2.

     5. ВЫВОДЫ.

     Сопоставить фактические и допустимые значения МЭД внешнего гамма-излучения по каждому исследованному объекту. Сделать вывод о соответствии радиационного фона объекта нормам радиационной безопасности (НРБ-99).

Таблица 2. Результаты измерений.

     6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

     1. Какие излучения называют ионизирующими?
     2. Каковы источники искусственного ионизирующего излучения?
     3. Назовите типы и виды ионизирующих излучений.
     4. В чём состоит биологическое действие ионизирующих излучений?
     5. Что понимают под ионизирующим действием и проникающей способностью ионизирующих излучений?
     6. Что называют облучением? Как осуществляют его количественную оценку?
     7. Что называют эквивалентной (эффективной эквивалентной) дозой облучения?
     8. Что понимают под мощностью доз?
     9. Какие категории и группы облучаемых лиц выделяют в соответствии с НРБ-99?
     10. Каковы основные принципы обеспечения радиационной безопасности?

     СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА ПО РАБОТЕ:

     1. Цель работы.
     2. Ответы на контрольные вопросы.
     3. Задание.
4. Оборудование.
     5. Таблица 2, заполненная согласно проведённым измерениям.
     6. Выводы.

     ЛИТЕРАТУРА

     1. Аствацатуров А.Е. "Инженерная экология и защита окружающей среды". Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2001, 178 с.
     2. "Безопасность жизнедеятельности". Под ред. Арустамова Э.А. М.: Издательский Дом "Дашков и К0", 2001, 678 с.
     3. Карташёв А.Г. "Введение в экологию". Томск: Изд-во "Водолей", 1998, 384 с.
     4. Коробкин В.И., Передельский Л.В. "Экология". Ростов-на-Дону: Изд-во "Феникс", 2000, 576 с.
     5. Смирнов С.Н. "Радиационная экология". М.: Изд-во МНЭПУ, 2000, 334 с.

     ПРИЛОЖЕНИЕ
     Единицы измерения активности и доз ионизирующих излучений:

     Беккерель (Бк) – единица активности радионуклида (в СИ), равная активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит спонтанный распад одного атомного ядра: 1 Бк = 1 расп/с.
     Кюри (Ки) – единица активности радионуклида, равная активности нуклида, в котором за время 1 с происходит 3,7·10¹⁰ ядерных превращений: 1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк.
     Кулон/килограмм (Кл/кг) – единица экспозиционной дозы (в СИ), равная экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобождённые фотонами в воздухе массой 1 кг, производят ионы, несущие электрический заряд 1 Кл каждого знака.
     Рентген (Р) – единица экспозиционной дозы, соответствующая образованию в 1 см³ сухого атмосферного воздуха при н.у. 2,082 млрд. пар ионов обоих знаков: 1 Р = 2,58·10^-4 Кл/кг.      Грей (Гр) – единица поглощённой дозы (в СИ), равная энергии в 1 джоуль, переданной излучением веществу массой 1 кг: 1 Гр = 1 Дж/кг.
     Рад (рад) – единица поглощённой дозы, равная энергии в 100 эрг, переданной излучением веществу массой 1 г: 1 рад = 0,01 Гр.
     Зиверт (Зв) – единица эквивалентной (эффективной) дозы (в СИ), равная поглощённой дозе излучения, производящей такое же биологическое действие, как доза рентгеновского излучения в 1 Гр: 1 Зв = 0,05 Дж/кг для α-излучения и 1 Зв = 1 Дж/кг для всех остальных видов излучения.
     Бэр (бэр) – единица эквивалентной (эффективной) дозы, равная поглощённой дозе любого вида ионизирующего излучения, имеющей такую же биологическую эффективность, как 1 рад рентгеновского излучения со средней удельной ионизацией 100 пар ионов на 1 мкм пути в воде: 1 бэр = 0,01 Зв.

     Составители: доц., к.х.н., В.В.Озерянская
                            доц., к.х.н., Пустовая Л.Е.
                            ст.преп., к.х.н., О.В.Дымникова
                            ст.преп., Р.Р.Лазуренко