The article presents the basic definitions and sources of ionizing radiation. Discusses the applications of sealed sources of ionizing radiation, particularly in medical and industry, with a view to ensuring radiation safety of personnel and the public.
Keywords: Ionizing radiation, radiation sources, scope, application in industry
Ионизирующее излучение — это потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество.
К ионизирующему излучению не относят видимый свет и ультрафиолетовое излучение, которые в отдельных случаях могут ионизировать вещество. Инфракрасное излучение и излучение радиодиапазонов не являются ионизирующим, поскольку их энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии.
Соответственно, исходя из определения ионизирующего излучения, сформулируем понятие источника ионизирующего излучения — устройство или радиоактивное вещество, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение.
Все источники ионизирующего излучения подразделяются на природные и техногенные. Кроме того, существуют радионуклидные источники, которые, в свою очередь, подразделяются на закрытые и открытые.
Природный источник излучения — источник ионизирующего излучения природного происхождения, на который распространяется действие настоящих норм радиационной безопасности [1]. Примером таких источником может служить естественный радиационный фон — космическое излучение и излучение, создаваемое природными радионуклидами, содержащимися в земле, воде, воздухе, других элементах биосферы, в пищевых продуктах, в организме человека и животных.
Техногенный источник излучения — источник ионизирующего излучения, специально созданный для его полезного применения или являющийся побочным продуктом этой деятельности. Такими источниками могут выступать предприятия ядерного топливного цикла: АЭС; урановые рудники и гидрометаллургические заводы, предприятия по переработке и захоронению радиоактивных отходов, а также исследовательские атомные реакторы, транспортные ядерно-химические установки и военные объекты.
Закрытый радионуклидный источник — источник излучения, устройство которого исключает поступление содержащихся в нем радионуклидов в окружающую среду в условиях применения и износа, на которые он рассчитан.
Источник радионуклидный открытый — источник излучения, при использовании которого возможно поступление содержащихся в нем радионуклидов в окружающую среду.
По характеру действия закрытые источники ионизирующего излучения условно подразделяются на 2 группы:
‒ непрерывного действия;
‒ периодической генерации излучения.
К 1 группе относятся γ-установки различного назначения, нейтронные β- и γ-излучатели;
Ко 2 — рентгеновские аппараты и ускорители заряженных частиц, которые при ускорении более 10 МэВ, приводит к образованию искусственных радионуклидов, что, с большой вероятностью, может привести к попаданию в организм человека радиоактивных изотопов.
В отличие от закрытых источников ионизирующего излучения открытые источники могут быть причиной как внешнего, так и внутреннего облучение работников и населения. Такое облучение возможно при попадании радионуклидов в окружающую среду в виде радиоактивных отходов. Такие отходы могут быть твердыми и жидкими, в виде газов и аэрозолей. Наибольшее значение имеют технологические процессы, в которых образуются радиоактивные аэрозоли.
В современном мире область применения закрытых ионизирующих источников весьма разнообразна:
в металлургии применяются ускорители заряженных частиц, рентгеновские аппараты, аппараты для γ-дефектоскопии, радиоизотопные приборы (уровнемеры).
в строительной индустрии применяются ускорители заряженных частиц, рентгеновские аппараты, аппараты для γ-дефектоскопии.
в химической промышленности применяются мощные γ-установки, радиоизотопные приборы (уровнемеры, толщиномеры, приборы для снятия электростатических зарядов).
в легкой промышленности применяются радиоизотопные приборы, такие как уровнемеры, толщиномеры, приборы для снятия электростатических зарядов.
в пищевой промышленности применяются мощные γ-установки, радиоизотопные уровнемеры.
кроме того, закрытые источники применяются в геологии — нейтронные и γ-источники, радиоизотопные уровнемеры.
весьма большой потенциал применения закрытых источников излучения в медицине и биологии. В данных отраслях применяются ускорители заряженных частиц, рентгеновские и γ-аппараты, γ — и β-источники.
в сельском хозяйстве возможно применение мощных γ-установки.
не стоит забывать о применении закрытых источников излучения в научных исследованиях. В различных научно-исследовательских институтах применяют ускорители заряженных частиц, рентгеновские аппараты, мощные γ-установки, нейтронные, γ- и β-источники.
При рассмотрении γ-излучателей необходимо упомянуть, что, в основном, к данным излучателям относят искусственные радиоактивные элементы, помещаемые в порошкообразном или твердом виде в герметичные стальные ампулы [5].
Основным параметром, характеризующим закрытый источник ионизирующего излучения, является его активность — ожидаемое число распадов в единицу времени.
Энергичность применения закрытых источников ионизирующей радиации варьирует в широких границах. Например, на сегодняшний день осуществляется большая практика строительства мощных γ-установок промышленного назначения, которые служат для получения полимерных материалов, стерилизации изделий одноразового использования в медицине, улучшения качества резины и многое другое. В зависимости от условий применения и предназначения общий заряд излучателя может достигать 5,5 ПБк (150 000 Ки) и более. В таких установках чаще всего в этих установках используют 60Со [2].
Для радиационных исследований в различных областях (химии, биологии, физики твердого тела, сельского хозяйства, пищевой и легкой промышленности и других) в Российской Федерации выпускаются такие γ- установки как:
К-300 000, заряд 110 ПБк (300 000 Ки);
«Панорама», заряд 6,7 ПБк (180 000 Ки);
МРХ-гамма-100, заряд 11 ПБк (300 000 Кu);
«ГУПОС», заряд 3·10–2 ПБк (800 Кu);
ГУБЭ-4000, заряд 0,15 ПБк (4000 Кu)
и др.
Активность γ-источников для дистанционной лучевой терапии колеблется от 37 ГБк (1 Кu) — установки для внутриполостной терапии типа «АГАТ-В» до 15–104 ГБк (4000 Кu) — установки «Рокус-М», «АГАТ-Р», «АГАТ-C». Закрытые источники (60Со, I98Au) в виде препаратов различной конфигурации (цилиндры, бусинки, иглы, отрезки тонкой проволоки) предназначены для внутриполостной и внутритканевой терапии злокачественных новообразований.
Активность вводимых в пораженные ткани игл составляет 18,5–370 МБк (0,5–10 мКu), активность отдельных бусинок — 74–370 МБк (2–10 мКu), цилиндров — до 740–1480 МБк (20–40 мКu), а суммарная вводимая активность лечебных препаратов может достигать 1480–2220 МБк (40–60 мКu) 60Со и 740–3700 МБк (20–100 мКu) 198Аu. Кроме того, для аппликационной терапии применяют аппликаторы в виде квадратов из гибкого пластика, в материале которого равномерно распределен 32Р; мощность излучения на их поверхности достигает 2–4 Гр/ч (200–400 рад/ч).
При рассмотрении различных видов γ-дефектоскопии, можно отметить, что максимальная активность данных источников находится в пределах от 1,85 до 5,55 ГБк (от 5 до 150 Кu).
Закрытые источники нейтронного излучения изготавливают в зависимости от требований технологии различной мощности. На 1 г радия при его смешении с бериллием образуется до 107 нейтронов в 1 с.
При использовании линейных и циклических ускорителей возможно получение потоков электронов и тормозного излучения высоких энергий. Непосредственно в линейных ускорителях, для получения тормозного излучения, помещенные в волновод электроны, с помощью электронной пушки, ускоряются электрическим полем и попадают в конце пути на мишень.
При среднем токе 15–30 мкА и сообщенной, электронам в волноводе, энергии (приблизительно 1 МэВ) интенсивность тормозного излучения на расстоянии 1 м от ускорителя может достигать 1–2 Гр/мин (100–200 рад/мин). Рассмотренные линейные ускорители позволяют увеличить скорость электронов до энергии 10 МэВ и более; в свою очередь бетатроны — по круговым орбитам до энергии 100 МэВ.
Исходя из вышесказанного описания закрытых источников излучения используемых в различных отраслях видно, что их мощность колеблется в широких пределах, а технология конструирования, использования и применения весьма многообразна.
В настоящее время рентгеновские аппараты часто применяются в промышленности и медицине. Высокие достижения в области рентгенологии и радиологии определили массовость этих исследований с тенденцией к неуклонному увеличению областей их применения. По статистике, количество рентгенологических исследований на 1000 человек за последние 20 лет выросло на 30 %. Данные исследования проводят у всего взрослого и у значительной части детского населения страны. В начале 2000-х годов в стране было проведено около 100 млн рентгенологических исследований, а в настоящее время около 300 млн. Стоит отметить, что эквивалентная доза облучения населения составляет 1,5 мЗв (150 мбэр) в год, что значительно превышает дозу, полученную за счет всех других искусственных источников облучения вместе взятых. Данная доза в 1,5 раза превысила уровень естественного радиационного фона, что на 25–35 % ниже технологического фона, но составляет около 1/3 популяционной дозы от суммы всех источников облучения. По сравнению с рентгенодиагностикой дозой облучения средняя индивидуальная эффективная эквивалентная доза за счет радионуклидной диагностики в десятки и даже сотни раз ниже. Она не превышает нескольких сотен микрозивертов (мкЗв) в год (десятки миллибэр (мбэр) в год).
Совершенствование рентгеновского метода, особенно быстрое внедрение передовых компьютерных технологий, привело к появлению нового самостоятельного направления в рентгенологии: рентгеновской компьютерной томографии. Эволюция компьютерной томографии считается наиболее стремительной в мире визуальной диагностики. Она привела к появлению сначала спиральной, а затем и революционной многодетекторной компьютерной томографии. Эти технологии стали неотъемлемой частью единого лучевого диагностического процесса.
Сегодня в медицину входят гибридные технологии, предполагающие совместное или одновременное использование различных по своей физической и биохимической природе веществ и материалов. Прежде всего, следует отметить появление принципиально новых диагностических аппаратов, которые сочетают в себе сразу несколько высоких технологий — это гибридные рентгеновские компьютерные, позитронно-эмиссионные и однофотонные томографы. Для получения четких пространственных изображений на таких томографах используется рентгеновское излучение, а в качестве диагностического вещества или маркера используются радионуклидные маркеры, которые могут избирательно накапливаться в клетках специфических опухолей. Благодаря этому свойству они могут быть обнаружены, идентифицированы и служить в качестве контролера при лечении. Совершенствование компьютерных технологий, а именно, появление многодетекторных рентгеновских компьютерных томографов и новых сцинтилляционных датчиков, обусловили принципиально новое диагностическое качество гибридных изображений. Стало возможным получать изотропное (с точностью до миллиметра) анатомическое рентгеновское изображение любой структуры человеческого организма при существенном сокращении времени радиоизотопного исследования (сегодня это 5–12 минут, вместо 45 минут при старой технологии). Созданы прототипы спирального позитронно-эмиссионного и многодетекторного рентгеновского томографа, где общее время гибридного сканирования составит всего 30 секунд. Это означает, что всего за десятки секунд будет получена информация о локализации в любой части человеческого тела клеток с повышенным уровнем метаболизма глюкозы, или другого меченного изотопом вещества. Появляется возможность не только выявить опухолевые клетки, но и определить их восприимчивость к терапии, проследить эффект и определить продолжительность самой терапии, подобрать оптимальные фармакологические препараты для лечения.
Сегодня появилось принципиально новое диагностическое направление — молекулярная визуальная диагностика (molecular imaging). Лучевые диагносты вышли на новый уровень получения диагностической информации — молекулярный. Появилась возможность получать диагностическую информацию на клеточном уровне. В этом направлении и происходит основное развитие всей лучевой диагностики [4].
Рассматривая закрытые источники ионизирующего излучения необходимо упомянуть о безопасности при работе с ними. Обеспечение радиационной безопасности достигается комплексом мероприятий, таких как санитарно-гигиенические, инженерно-технические и организационные [5]. Перечень перечисленных мероприятий зависит от активности излучателя, вида излучения, технологии и способов применения источников излучения. Главным требованием всех мероприятий защитного характера является то, что дозы облучения не превышали допустимых величин, как для персонала предприятия, так и для лиц других категорий.
С развитием индустриализации страны, за последние десятилетия построены и введены в эксплуатацию достаточно большое количество объектов, имеющих ядерную энергетическую установку. К подобным объектам необходимо в первую очередь отнести атомные электростанции. Самые распространенные реактора на станциях в страны являются реакторы РБМК (реактор большой мощности канальный) и ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) [6].
Не стоит забывать, что объекты с ядерными энергетическими установками могут быть не только стационарными, но и подвижными — морские суда. В качестве наилучшего примера можно привести атомоходы и ледоколы («Сибирь», «Арктика», «Ленин»), выполняющие работу по проводке транспортных судов по северным морям. К подвижным объектам с ядерными энергетическими установками также относится и подводный флот современных военно-морских сил многих развитых стран. Примеров таких подводных атомоходов можно привести много. Наиболее яркими представителями атомного подводного флота ВМФ России являются «Комсомолец», «Курск» и другие, которые кроме реактора имеют на вооружении и ядерное оружие.
С развитием космических технологий ядерные энергетические установки могут располагаться на борту космических летательных аппаратов, включая и не пилотируемые. Данные аппараты являются потенциальным источником радиоактивного загрязнения местности, в случае сгорания аппарата при вхождении в плотные слои атмосферы Земли [7].
Естественно следует обратить внимание на то, что, несмотря на различные программы по разоружению и уничтожению ядерных боеприпасов, в мире насчитываются огромные запасы ядерных боеприпасов всех видов базирования, включая стационарные и подвижные. Исходя из этого, можно сказать, что на сегодняшний день они представляют наиболее серьезную опасность для населения [8].
И, наконец, стоит упомянуть различные институты ядерной промышленности, которые в своем большинстве имеют экспериментальные ядерные реактора, например Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова (ПИЯФ).
Литература:
- Постановление главного Государственного санитарного врача Российской Федерации от 07 июля 2009 года № 47 «Об утверждении СанПин 2.6.1.2523–09 Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009».
- Приказ Госатомнадзора России от 06 сентября 1999 г. № 91 «О лицензировании деятельности в области использования атомной энергии».
- Серия норм МАГАТЭ по безопасности № RS-G-1.9 «Категоризация радиоактивных источников», МАГАТЭ, Вена, 2005.
- Зубарев А. В. Инновационный путь развития российской диагностической радиологии. Радиология и практика. 2009 г. № 6. стр. 3–10.
- IAEA/CODEOC/2004 «Кодекс поведения по обеспечению безопасности и сохранности радиоактивных источников», МАГАТЭ, Вена, 2004.
- Method for Developing Arrangements for Response to a Nuclear or Radiological Emergency — Updating IAEA-TECDOC-953, Emergency Preparedness and Response Series, EPR-Method 2003, Vienna, 2003.
- IAEA-TECDOC-1344 «Categorization of radioactive sources», IAEA, Vienna, 2003.
- Dangerous quantities of radioactive material (D-values), Emergency Preparedness and Response Series, EPR-D-VALUES, Vienna, 2006.
