Joniserande strålning (en felaktig synonym med en bredare betydelse - strålning ) - strömmar av fotoner och andra elementära partiklar eller atomkärnor som kan jonisera materia .
Joniserande strålning inkluderar inte synligt ljus och ultraviolett strålning , som i vissa fall kan jonisera ett ämne. Infraröd strålning och strålning från radioband är inte joniserande, eftersom deras energi inte räcker till för att jonisera atomer och molekyler i grundtillståndet [1] [2] [3] [4] [5] .
Färger med uran och andra radioaktiva material användes långt före vår tideräknings början, men deras strålning var så liten att den inte kunde märkas. Ett stort steg i upptäckten av radioaktivitet gjordes av den tyske kemisten Martin Heinrich Klaproth 1789. Han fick fram ett mörkt okänt ämne från hartsmalm och kallade det Uranus, även om det med tiden visade sig att det inte var rent uran, utan dess oxid [6] [7] . År 1804 upptäckte kemisten Adolf Gehlen ljuskänsligheten hos en lösning av uranylklorid i eter, denna effekt intresserade honom, men han kunde inte ge honom en riktig förklaring, så denna upptäckt gick sedan obemärkt förbi i det vetenskapliga samfundet [8] . Beviset på joniserande strålning var upptäckten på 1860-talet av katodstrålar (strömmar av elektroner som accelererades i ett vakuumrör av högspänning). Röntgenstrålning var nästa typ av joniserande strålning som upptäcktes ( Wilhelm Roentgen , 1895). År 1896 upptäckte Henri Becquerel en annan typ av joniserande strålning - osynliga strålar som sänds ut av uran, passerar genom en tät ogenomskinlig substans och belyser en fotografisk emulsion (i modern terminologi - gammastrålning) [9] [10] . Som ett resultat av ytterligare studier av fenomenet radioaktivitet upptäcktes det ( Ernest Rutherford , 1899) att som ett resultat av radioaktivt sönderfall emitteras alfa-, beta- och gammastrålar, som skiljer sig åt i ett antal egenskaper, i synnerhet i elektrisk laddning. Därefter upptäcktes andra typer av joniserande strålning som uppstår under det radioaktiva sönderfallet av kärnor: positroner, omvandlings- och Auger-elektroner, neutroner, protoner, fissionsfragment, kluster (lätta kärnor som emitteras under klusternedbrytning ). Kosmiska strålar upptäcktes 1911-1912.
De viktigaste typerna av joniserande strålning är: [1] [2] [11] [12]
Naturliga källor för joniserande strålning [11] [12] [13] :
Konstgjorda källor till joniserande strålning:
Många stabila atomer omvandlas till instabila isotoper genom bestrålning och motsvarande inducerade kärnreaktion . Som ett resultat av sådan exponering blir ett stabilt ämne radioaktivt, och typen av sekundär joniserande strålning kommer att skilja sig från den initiala exponeringen. Denna effekt är mest uttalad efter neutronbestrålning.
I processen av kärnsönderfall eller fusion skapas nya nuklider, som också kan vara instabila. Resultatet är en kedja av nukleära transformationer. Varje transformation har sin egen sannolikhet och sin egen uppsättning joniserande strålning. Som ett resultat kan intensiteten och naturen hos strålningen från en radioaktiv källa variera avsevärt med tiden.
Historiskt sett var de första sensorerna för joniserande strålning kemiska ljuskänsliga material som användes vid fotografering . Joniserande strålning belyste en fotografisk platta placerad i ett ogenomskinligt hölje. De övergavs dock snabbt på grund av processens längd och kostnad, komplexiteten i utvecklingen och lågt informationsinnehåll.
Som sensorer för joniserande strålning i vardagen och industrin används dosimetrar baserade på geigerräknare mest . En geigerräknare är en gasurladdningsanordning där joniseringen av en gas genom strålning omvandlas till en elektrisk ström mellan elektroderna. Som regel registrerar sådana enheter endast gammastrålning korrekt. Vissa enheter är utrustade med ett speciellt filter som omvandlar beta-strålning till gammastrålar på grund av bremsstrahlung. Geigerräknare väljer dåligt strålning när det gäller energi, för detta använder de en annan typ av gasurladdningsräknare, den så kallade. proportionell räknare .
Det finns halvledarsensorer för joniserande strålning . Principen för deras funktion liknar gasurladdningsanordningar med skillnaden att halvledarvolymen mellan två elektroder joniseras. I det enklaste fallet är detta en omvänt förspänd halvledardiod . För maximal känslighet är sådana detektorer av betydande storlek. [fjorton]
Scintillatorer har använts i stor utsträckning inom vetenskapen . Dessa enheter omvandlar strålningsenergi till synligt ljus genom att absorbera strålning i ett speciellt ämne. Ljusblixten registreras av ett fotomultiplikatorrör . Scintillatorer separerar strålningen väl med energi.
För att studera flöden av elementära partiklar används många andra metoder för att mer fullständigt utforska deras egenskaper, till exempel en bubbelkammare , en molnkammare .
Effektiviteten av interaktionen av joniserande strålning med materia beror på typen av strålning, partiklarnas energi och tvärsnittet för interaktionen av det bestrålade ämnet. Viktiga indikatorer på interaktionen mellan joniserande strålning och materia:
I International System of Units (SI) är den absorberade dosenheten den gråa (ryska beteckningen: Gy, internationell: Gy), numeriskt lika med den absorberade energin på 1 J per 1 kg av massan av ett ämne. Ibland finns det en föråldrad icke-systemisk enhet rad (rysk beteckning: rad; internationell: rad): en dos som motsvarar den absorberade energin på 100 erg per 1 gram av ett ämne. 1 rad = 0,01 Gy . Den absorberade dosen ska inte förväxlas med motsvarande dos .
Det föråldrade konceptet med exponeringsstrålningsdos används också flitigt - ett värde som visar vilken laddning som skapar fotonstrålning (gamma- eller röntgenstrålning) per volymenhet luft . För att göra detta använder de vanligtvis en exponeringsdos röntgen utanför systemet ( rysk beteckning: R; internationell: R): dosen av fotonstrålning som bildar joner med en laddning på 1 enhet. CGSE-laddning ((1/3)⋅10 −9 coulomb ) i 1 cm³ luft. SI-systemet använder enheten coulomb per kilogram (rysk beteckning: C/kg; internationell: C/kg): 1 C/kg = 3876 R; 1 Р = 2,57976⋅10 −4 C/kg [15] .
Aktiviteten hos en radioaktiv källa till joniserande strålning definieras som det genomsnittliga antalet kärnkraftssönderfall per tidsenhet. Motsvarande SI-enhet är becquerel (rysk beteckning: Bq; internationell: Bq) anger antalet sönderfall per sekund. Den icke-systemiska enheten curie används också (rysk beteckning: Ki; internationell: Ci). 1 Ki \u003d 3,7⋅10 10 Bq . Den ursprungliga definitionen av denna enhet motsvarade aktiviteten av 1 g radium-226 .
Corpuskulär joniserande strålning kännetecknas också av partiklarnas kinetiska energi. För att mäta denna parameter är den vanligaste icke-systemiska enheten elektronvolt (rysk beteckning: eV, internationell: eV). Som regel genererar en radioaktiv källa partiklar med ett visst energispektrum. Strålningssensorer har också ojämn känslighet för partikelenergi.
Enligt mekanismen för interaktion med materia särskiljs direkt strömmar av laddade partiklar och indirekt joniserande strålning (strömmar av neutrala elementarpartiklar - fotoner och neutroner). Enligt mekanismen för bildning - primär (född i källan) och sekundär (bildad som ett resultat av interaktionen av en annan typ av strålning med materia) joniserande strålning.
Energin hos joniserande strålningspartiklar sträcker sig från flera hundra elektronvolt (röntgenstrålar, beta-strålning av vissa radionuklider) till 10 15 -10 20 elektronvolt och högre (kosmiska strålningsprotoner för vilka ingen övre energigräns har hittats).
Banlängden och penetreringskraften varierar mycket - från mikrometer i ett kondenserat medium (alfastrålning av radionuklider, fissionsfragment) till många kilometer (högenergi kosmiska strålmyoner ).
Långvarig exponering för corpuskulär strålning eller ultrahögenergifotonstrålning kan avsevärt förändra egenskaperna hos strukturella material. Ingenjörsdisciplinen för strålningsmaterialvetenskap behandlar studiet av dessa förändringar . Den gren av fysiken som studerar fasta ämnens beteende under bestrålning kallas strålningsfasta tillståndsfysik . [16] De viktigaste typerna av strålningsskador är:
Redovisning av strålningsskador på tekniska strukturer är mest relevant för kärnreaktorer och halvledarelektronik konstruerade för att fungera under strålningsförhållanden.
Moderna halvledarteknologier är känsliga för joniserande strålning [17] [18] [19] [20] . Ändå används de i stor utsträckning inom militär- och rymdteknik och inom kärnkraftsindustrin. I detta fall används ett antal tekniska, kretsar och mjukvarulösningar som minskar konsekvenserna av strålningsexponering.
De huvudsakliga typerna av strålningsskador som leder till engångs- eller irreversibla fel på halvledarenheter:
Joniserande strålning kan orsaka kemiska omvandlingar av materia. Sådana transformationer studeras med strålningskemi . Under inverkan av joniserande strålning kan sådana transformationer inträffa, till exempel [21] :
Olika typer av joniserande strålning har olika destruktiva effekter och olika sätt att påverka biologiska vävnader. Följaktligen motsvarar samma absorberade dos olika biologisk effektivitet hos strålningen. Därför, för att beskriva effekterna av strålning på levande organismer, introduceras begreppet relativ biologisk effektivitet av strålning . För laddade partiklar är den biologiska effektiviteten direkt relaterad till den linjära energiöverföringen av en given typ av partiklar (genomsnittlig energiförlust med en partikel per enhets väglängd för en partikel i vävnaden).
För att ta hänsyn till den biologiska effekten av den absorberade dosen infördes en ekvivalent dos joniserande strålning, numeriskt lika med produkten av den absorberade dosen och strålningsviktningsfaktorn . För röntgen-, gamma- och betastrålning tas koefficienten till 1. För alfastrålning och kärnfragment är koefficienten 20. Neutroner - 5 ... 20, beroende på energin. I SI-systemet mäts effektiv och ekvivalent dos i sievert (rysk beteckning: Sv ; internationell: Sv ).
Tidigare användes den ekvivalenta dosenheten rem i stor utsträckning (från den biologiska motsvarigheten till röntgen för gammastrålning; rysk beteckning: rem ; internationell: rem ). Initialt definierades enheten som en dos av joniserande strålning som ger samma biologiska effekt som dosen av röntgen- eller gammastrålning, lika med 1 R. Efter antagandet av SI-systemet började rem att förstås som en enhet lika med 0,01 J / kg . 1 rem = 0,01 Sv = 100 erg /g [23] .
Förutom biologisk effektivitet är det nödvändigt att ta hänsyn till strålningens penetrerande kraft. Till exempel har tunga kärnor av atomer och alfapartiklar en extremt kort väg i alla täta ämnen, så radioaktiva alfakällor är farliga inte när de utsätts för extern strålning, utan bara när de kommer in i kroppen. Omvänt har gammastrålning en betydande penetrerande kraft.
Vissa radioaktiva isotoper kan integreras i en levande organisms metaboliska process och ersätta stabila element. Detta leder till kvarhållande och ackumulering av radioaktivt material direkt i levande vävnader, vilket avsevärt ökar risken för kontakt. Till exempel är jod-131 , isotoper av strontium , plutonium etc. allmänt kända . För att karakterisera detta fenomen används begreppet halveringstiden för en isotop från kroppen.
Direkt verkan av joniserande strålning är en direkt träff av joniserande partiklar i de biologiska molekylära strukturerna hos celler och i flytande (vattenhaltiga) medier i kroppen.
Indirekt eller indirekt verkan - verkan av fria radikaler till följd av jonisering skapad av strålning i kroppens och cellers flytande media. Fria radikaler skadar integriteten hos kedjor av makromolekyler ( proteiner och nukleinsyror ), vilket kan leda till både masscelldöd och karcinogenes och mutagenes . De mest mottagliga för joniserande strålning är aktivt delande (epitel-, stam- och embryonala) celler.
Efter inverkan av strålning på kroppen, beroende på dosen, kan deterministiska och stokastiska radiobiologiska effekter uppstå . Till exempel är tröskeln för uppkomst av symtom på akut strålsjuka hos människor 1–2 Sv för hela kroppen.
Till skillnad från deterministiska, har stokastiska effekter inte en tydlig doströskel för manifestation. Med en ökning av stråldosen ökar endast frekvensen av manifestation av dessa effekter. De kan uppträda både många år efter bestrålning ( maligna neoplasmer ), och i efterföljande generationer ( mutationer ) [25] .
Den huvudsakliga informationskällan om de stokastiska effekterna av exponering för joniserande strålning är data från observationer av hälsan hos människor som överlevt atombombningar eller strålningsolyckor . Specialister observerade 87 500 överlevande från atombombningarna. Deras genomsnittliga exponeringsdos var 240 millisievert . Samtidigt uppgick tillväxten av onkologiska sjukdomar under efterföljande år till 9%. Vid doser mindre än 100 millisievert har ingen i världen fastställt skillnader mellan förväntad och observerad i verkligheten förekomst. [26]
Ransonering utförs enligt sanitära regler och föreskrifter SanPin 2.6.1.2523-09 " Strålningssäkerhetsstandarder (NRB-99/2009) ". Dosgränser för den effektiva dosen fastställs för följande kategorier av personer:
De huvudsakliga dosgränserna och tillåtna exponeringsnivåerna för grupp B-personal är lika med en fjärdedel av värdena för grupp A-personal.
Den effektiva dosen för personal bör inte överstiga 1 000 mSv för arbetsperioden ( 50 år ) och 70 mSv för den allmänna befolkningen under hela livet . Planerad ökad exponering är endast tillåten för män över 30 år med deras frivilliga skriftliga medgivande efter att ha informerats om möjliga exponeringsdoser och hälsorisker.
Joniserande strålning används i olika industrier:
Det internationella konventionella tecknet på strålningsfara ("trefoil", "fläkt") har formen av tre sektorer 60 ° breda, åtskilda 120 ° i förhållande till varandra, med en liten cirkel i mitten. Det är gjort i svart på en gul bakgrund.
I Unicode -teckentabellen finns en strålningsrisksymbol - ☢ (U+0x2622).
2007 antogs ett nytt skylt för strålningsfarlighet, där "stavlan" kompletterades med tecknen "dödlig" (" dödskalle och korsade ben ") och "gå bort!" (silhuett av en springande man och en pekande pil). Den nya skylten är tänkt att bli mer begriplig för dem som inte är bekanta med innebörden av den traditionella "stavlan".
Vissa forskare försöker utveckla ett system med långsiktiga varningar om kärnavfall som skulle förstås av människor tusentals år senare [33] .
Bakgrunden för joniserande strålning (eller bakgrundsstrålning) är den totala strålningen från naturliga och konstgjorda källor [34] [35] .
I Ryssland utförs strålningsövervakning av miljön av den federala tjänsten Roshydromet och det statliga företaget Rosatom [36] . På internationell nivå är den vetenskapliga kommittén för effekterna av atomstrålning (SCEAR) vid FN engagerad i att samla in information och bedöma effekten av radioaktiv strålning på människor och miljö .
Huvudkomponenterna i den naturliga (naturliga) strålningsbakgrunden är kosmiska strålar och strålning från radionuklider av jordbundet ursprung, allestädes närvarande i jordskorpan [37] .
Enligt UNSCEAR-data är den genomsnittliga effektiva doshastigheten i världen från kosmisk strålning (inklusive sekundär neutronstrålning) på jordens yta utanför skyddsrum 0,036 µSv/h [38] . Med en ökning av höjden över havet ändras detta värde avsevärt och kan i flygzonen för civilflyg ( 9–12 km ) vara 5–8 μSv/h . Baserat på detta når den effektiva dosen från inverkan av kosmiska strålar under en transatlantisk flygning från Europa till Nordamerika 30–45 μSv [39] . Dessutom beror doshastigheten för den övervägda strålningen på den geomagnetiska latituden och tillståndet för den 11-åriga cykeln av solaktivitet . Bidraget från var och en av de två faktorerna till stråldoshastigheten är cirka 10 % [40] .
Den andra betydande komponenten i den naturliga strålningsbakgrunden är γ-strålning från radionuklider av terrestriskt ursprung såsom 40 K och sönderfallsprodukter av uranium -238 och torium-232 ( 226 Th , 228 Ac , 214 Pb , 214 Bi ) [41] [ 42] . Den genomsnittliga effektiva doshastigheten från extern exponering för dessa radionuklider, beroende på region, ligger i intervallet från 0,030 till 0,068 µSv/h [43] . Som undantag finns det regioner i världen med en ökad naturlig strålningsbakgrund på grund av närvaron av monazitsand med hög halt av torium (städerna Guarapari i Brasilien, Yangjiang i Kina, delstaterna Kerala och Madras i Indien, Nildeltat i Egypten), vulkanisk jord (delstaten Minas-Gerais i Brasilien, ön Niue i Stilla havet) eller förekomsten av radium-226 i sötvatten ( staden Ramsar i Iran) [44] .
Enligt uppgifter från Roshydromet [45] är exponeringsdoshastigheten för γ-strålning (ERD) [Not 1] i Ryska federationen huvudsakligen inom gränserna för fluktuationer i den naturliga bakgrundsstrålningen ( 9–16 μR/h ) .
Överskottet av DER-värden registrerades i de territorier som var förorenade efter Tjernobylolyckan i Bryansk, Kaluga, Kursk, Oryol och Tula-regionerna i intervallet 19–25 μR/h . I 100 km-zonen av radiokemiska företag och kärnkraftverk observeras kortsiktiga ökningar av DER upp till 20 μR/h , men de genomsnittliga årliga värdena ligger inom bakgrundsfluktuationerna - 9–14 μR/h .
Den genomsnittliga årliga effektiva dosen som tas emot av en person och på grund av naturliga faktorer är 2400 μSv , denna siffra, förutom extern exponering från de källor som diskuterats ovan, inkluderar intern exponering från radionuklider som kommer in i människokroppen med luft, mat och vatten (totalt 1500 μSv ) [52] . På senare tid har mänsklig exponering i utvecklade länder närmat sig bidraget från naturliga källor. Samtidigt är dosen från medicinsk forskning och terapi med joniserande strålningskällor 95 % av den totala antropogena strålningsexponeringen för människor [53] .
Ordböcker och uppslagsverk | ||||
---|---|---|---|---|
|