Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И.Ленина»
Кафедра атомных электрических станций
РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
И ДОЗИМЕТРИЯ ВНЕШНЕГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
Методические указания к выполнению лабораторной работы №1
по курсу «Защита от излучений»
Иваново 2009
Составители: А.Ю. ТОКОВ, В.А. КРЫЛОВ, А.Н. СТРАХОВ
Редактор В.К. СЕМЕНОВ
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности «Атомные электрические станции и установки», проходящих лабораторный практикум по физике ионизирующих излучений. Теоретический материал, приведенный в 1 разделе, дополняет и частично дублирует читаемый на лекциях.
Рекомендуются также студентам специальности «Безопасность жизнедеятельности» при изучении курса «Радиационная безопасность».
Утверждены цикловой методической комиссией ИФФ
Рецензент:
кафедра атомных электрических станций ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»
РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ДОЗИМЕТРИЯ
ВНЕШНЕГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе №1
по курсу «Защита от излучений»
Составители: Токов Александр Юрьевич,
Крылов Вячеслав Андреевич,
Страхов Анатолий Николаевич
Редактор Н.С.Работаева
Подписано в печать 7.12.09. Формат 60х84 1/16.
Печать плоская. Усл. печ. л. 1,62. Тираж 100 экз. Заказ №
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»
153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34.
Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ
1. ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
1.1. Биологическое действие ионизирующих излучений
Ионизирующее излучение, воздействуя на живой организм, вызывает в нем цепочку обратимых и необратимых изменений, «спусковым механизмом» которой является ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества. Ионизация (т.е. превращение нейтрального атома в положительный ион) происходит в том случае, если ионизирующая частица (α, β – частица, рентгеновский или γ – фотон) передает электронной оболочке атома энергию, достаточную для отрыва орбитального электрона (т.е. превышающую энергию связи). Если передаваемая часть энергии меньше энергии связи, то происходит лишь возбуждение электронной оболочки атома.
В простых веществах, молекулы которых состоят из атомов одного элемента, процессу ионизации сопутствует процесс рекомбинации. Ионизированный атом присоединяет к себе один из свободных электронов, которые всегда имеются в среде, и вновь становится нейтральным. Возбужденный атом возвращается в нормальное состояние путем перехода электрона с верхнего энергетического уровня на более низкий, при этом испускается фотон характеристического излучения. Таким образом, ионизация и возбуждение атомов простых веществ не приводят к каким-либо изменениям физико-химической структуры облучаемой среды.
Иначе обстоит дело при облучении сложных молекул, состоящих из большого числа различных атомов (молекулы белка и других тканевых структур). Прямое действие излучения на макромолекулы приводит к их диссоциации, т.е. к разрывам химических связей вследствие ионизации и возбуждения атомов. Косвенное действие излучения на сложные молекулы проявляется через продукты радиолиза воды, составляющей основную часть массы тела (до 75 %). За счет поглощения энергии молекула воды теряет электрон, который быстро передает свою энергию окружающим молекулам воды:
Н2О => Н2О+ + е–.
В результате образуются ионы, свободные радикалы, ион-радикалы, имеющие неспаренный электрон (Н•, ОН•, гидроперекись HО2•), перекись водорода H2O2, атомарный кислород:
Н2О+ + Н2О => Н3О+ + ОН– + Н•;
Н• + О2 => НО2• ; НО2• + НО2• => Н2О2 + 2О .
Свободные радикалы, содержащие неспаренные электроны, обладают чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время жизни свободного радикала не превышает 10-5 с. За это время продукты радиолиза воды либо рекомбинируют друг с другом, либо вступают в цепные каталитические реакции с молекулами белка, ферментов, ДНК и других клеточных структур. Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом и вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением.
Действие ионизирующего излучения на биологические объекты можно разделить на три этапа, происходящие на разных уровнях:
1) на атомном уровне – ионизация и возбуждение атомов, происходящие за время порядка 10-16 – 10-14 с;
2) на молекулярном уровне – физико-химические изменения макромолекул, обусловленные прямым и радиолитическим действием излучения, приводящие к нарушениям внутриклеточных структур, за время порядка 10-10 – 10-6 с;
3) на биологическом уровне – нарушения функций тканей и органов, развивающиеся за время от нескольких секунд до нескольких суток или недель (при острых поражениях) либо за годы или десятилетия (отдаленные последствия облучения).
Основной ячейкой живого организма является клетка, ядро которой у человека содержит 23 пары хромосом (молекул ДНК), несущих закодированную генетическую информацию, которая обеспечивает воспроизведение клетки и внутриклеточный синтез белков. Отдельные участки ДНК (гены), ответственные за формирование какого-либо элементарного признака организма, располагаются в хромосоме в строго определенном порядке. Сама клетка и ее отношения с внеклеточным окружением поддерживаются с помощью сложной системы полупроницаемых мембран. Эти мембраны регулируют поступление воды, питательных веществ и электролитов в клетку и вывод из нее. Любое повреждение может угрожать жизнеспособности клетки или ее способности к воспроизведению.
Среди разнообразных форм нарушений наиболее важным является повреждение ДНК. Однако клетка обладает сложной системой процессов восстановления, особенно в пределах ДНК. Если восстановление не является полным, то может появиться жизнеспособная, но измененная клетка (мутант). На появление и размножение измененных клеток могут повлиять, помимо облучения, и другие факторы, возникающие как до воздействия излучения, так и после него.
У высших организмов клетки организованы в ткани и органы, выполняющие разнообразные функции, например: производство и хранение энергии, мышечная активность для движения, переваривание пищи и выделение отходов, снабжение кислородом, поиск и уничтожение клеток-мутантов и др. Координацию этих видов активности тела осуществляют нервная, эндокринная, кроветворная, иммунная и другие системы, которые в свою очередь также состоят из специфических клеток, органов и тканей.
Случайное распределение актов поглощения энергии, создаваемых излучением, может различными путями повредить жизненно важные части двойной спирали ДНК и других макромолекул клетки. Если значительное число клеток органа или ткани погибло или неспособно к воспроизведению либо к нормальному функционированию, то может быть потеряна функция органа. В облученном органе или ткани нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, – токсины. Конечные нежелательные радиационные эффекты делятся на соматические и генетические.
Соматические эффекты проявляются непосредственно у самого облученного либо как ранние выявляемые эффекты облучения (острая или хроническая лучевая болезнь и локальные лучевые поражения), либо как отдаленные последствия (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей или других заболеваний), проявляющиеся через несколько месяцев или десятков лет после облучения. Генетические, или наследственные, эффекты – это последствия облучения генома зародышевых клеток, передающиеся по наследству и вызывающие врожденные уродства и другие нарушения у потомков. Эти последствия облучения могут быть очень отдаленными и распространяться на несколько поколений людей.
Выраженность эффекта вредного воздействия зависит от конкретной облученной ткани, а также от способности организма компенсировать или восстановить повреждение.
Способность к восстановлению клеток зависит от возраста человека в момент облучения, от пола, состояния здоровья и генетической предрасположенности организма, а также от величины поглощенной дозы (энергии излучения, поглощенной в единице массы биоткани) и, наконец, от вида первичного излучения, воздействовавшего на организм.
1.2. Пороговые и беспороговые эффекты при облучении человека
В соответствии с современными представлениями, изложенными в публикации 60 МКРЗ[1] и положенными в основу российских Норм радиационной безопасности НРБ-99, возможные вредные для здоровья последствия облучения подразделяются на два вида: пороговые (детерминированные) и беспороговые (стохастические) эффекты.
1. Детерминированные (пороговые) эффекты – непосредственные ранние, клинически выявляемые лучевые заболевания, имеющие дозовые пороги, ниже которых они не возникают, а выше – тяжесть эффектов зависит от дозы. К ним относятся острая или хроническая лучевая болезнь, лучевая катаракта, нарушение воспроизводительной функции, косметическое повреждение кожи, дистрофические повреждения разных тканей и т.п.