Применение электромагнитных полей и излучений

 

Частоты ЭМП и ЭМИ	Технологический процесс, установка, отрасль
От 0 до 300 Гц	Электроприборы, в том числе бытового назначения, высоковольтные линии электропередачи, трансфор­маторные подстанции, радиосвязь, научные исследо­вания, специальная связь
0,3-3 кГц	Радиосвязь, электропередачи, индукционный нагрев металла, физиотерапия
3-30 кГц	Сверхдлинноволновая радиосвязь, индукционный нагрев металла (закалка, плавка, пайка), физиотера­пия, ультразвуковые установки
30-300 кГц	Радионавигация, связь с морскими и воздушными судами, длинноволновая радиосвязь, индукционный нагрев металлов, электрокоррозионная обработка, ВДТ, ультразвуковые установки
0,3-3 МГц	Радиосвязь и радиовещание, радионавигация, индук­ционный и диэлектрический нагрев материалов, ме­дицина
3-30 МГц	Радиосвязь и радиовещание, диэлектрический на­грев, медицина, нагрев плазмы
30-300 МГц	Радиосвязь, телевидение, медицина (физиотерапия, онкология), диэлектрический нагрев материалов, на­грев плазмы
0,3-3 ГГц	Радиолокация, радионавигация, радиотелефонная связь, телевидение, микроволновые печи, физиотера­пия, нагрев и диагностика плазмы
3-30 ГГц	Радиолокация и спутниковая связь, метеолокация, радиорелейная связь, нагрев и диагностика плазмы, радиоспектроскопия
30-300 ГГц	Радары, спутниковая связь, радиометеорология, ме­дицина (физиотерапия, онкология)

 

Основными источниками электромагнитных полей радио­частот являются радиотехнические объекты, телевизионные и радиолокационные станции, термические цехи и участ­ки (в зонах, примыкающих к предприятиям). Электромаг­нитные поля промышленной частоты чаще всего связаны с высоковольтными линиями электропередач, источниками магнитных полей, применяемыми на промышленных предприятиях.

Зоны с повышенными уровнями ЭМП, источниками кото­рых могут быть РТО и РЛС, имеют размеры до 100—150 м. При этом внутри зданий, расположенных в этих зонах, плот­ность потока энергии, как правило, превышает допустимые значения.

Значительную опасность представляют магнитные поля, возникающие в зонах, прилегающих к электрифицирован­ным железным дорогам. Магнитные поля высокой интен­сивности обнаруживаются даже в зданиях, расположенных в непосредственной близости от этих зон.

В быту источниками ЭМП и излучений являются теле­визоры, дисплеи, печи СВЧ и другие устройства. Электро­статические поля в условиях пониженной влажности (менее 70%) создают паласы, накидки, занавески и т.д. Микровол­новые печи в промышленном исполнении не представляют опасности, однако неисправность их защитных экранов может существенно повысить утечки электромагнитного излучения. Экраны телевизоров и дисплеев как источники электромаг­нитного излучения в быту не опасны даже при длительном воздействии на человека, если расстояние от экрана превы­шают 30 см.

Электростатическое поле полностью характеризуется напряженностью электрического поля Е (В/м).

Постоянное магнитное поле характеризуется напряжен­ностью магнитного поля Н (А/м), при этом в воздухе 1 А/м ≈1,25 мкТл (Тл — тесла — единица магнитной индукции).

Электромагнитное поле характеризуется непрерывным распределением в пространстве, способностью распростра­няться со скоростью света, воздействовать на заряженные частицы и токи. Оно является совокупностью двух взаимо­связанных переменных полей — электрического и магнит­ного, которые характеризуются соответствующими векторами напряженности Е (В/м) и Н (А/м).

В зависимости от взаимного расположения источника электромагнитного излучения и места пребывания человека необходимо различать ближнюю зону (зону индукции), про­межуточную зону и дальнюю зону (волновую зону) или зону излучения. При излучении от источников (рис. 5.11) ближняя зона простирается на расстояние λ /2π, т. е. приблизительно на 1/6 длины волны. Дальняя зона начинается с расстояний λ · 2π, т.е. с расстояний, равных приблизительно шести длинам волны. Между этими двумя зонами располагается про­межуточная зона.

 

 

 

 

В зоне индукции, в которой еще не сформировалась бегу­щая электромагнитная волна, электрическое и магнитное поля следует считать независимыми друг от друга, поэтому эту зону можно характеризовать электрической и магнитной состав­ляющими электромагнитного поля. Соотношение между ними в этой зоне может быть самым различным. Для промежуточ­ной зоны характерно наличие как поля индукции, так и рас­пространяющейся электромагнитной волны. Для волновой зоны (зоны излучения) характерно наличие сформированного ЭМП, распространяющегося в виде бегущей электромагнит­ной волны. В этой зоне электрическая и магнитная составляю­щие изменяются синфазно и между их средними значениями за период существует постоянное соотношение Е= р^вH, где р_в — волновое сопротивление, Ом (р_в = здесь — электрическая постоянная; - магнитная проницаемость среды).

Колебания векторов Е и Н происходят во взаимно пер­пендикулярных плоскостях. В волновой зоне воздействие ЭМП на человека определяется плотностью потока энергии, переносимой электромагнитной волной. При распространении электромагнитной волны в проводящей среде векторы ЕиНсвязаны соотношением:

где — круговая частота электромагнитных колебаний, Гц; v — удельная электропроводность вещества экрана; z — глубина проникновения электромагнитного поля в экран; - коэффициент затухания.

 

При распространении ЭМП в вакууме или в воздухе, где р_в = 377 Ом, Е=377 Я, электромагнитное поле несет энергию, определяемую плотностью потока энергии I= ЕН (Вт/м²), которая показывает, какое количество энергии протекает за 1 с сквозь площадку в 1 м², расположенную перпендику­лярно движению волны.

При излучении сферических волн плотность потока энер­гии в волновой зоне может быть выражена через мощность Р_ист подводимую к излучателю,

 

откуда напряженность электрического поля (В/м) равна

где R — расстояние до источника излучения.

 

Воздействие электромагнитных полей на человека зави­сит от напряженностей электрического и магнитного полей, потока энергии, частоты колебаний, наличия сопутствующих факторов, режима облучения, размера облучаемой поверхно­сти тела и индивидуальных особенностей организма. Уста­новлено также, что относительная биологическая активность импульсных излучений выше непрерывных. Опасность воз­действия усугубляется тем, что оно не обнаруживается орга­нами чувств человека.

Воздействие ЭСП на человека связано с протеканием через него слабого тока (несколько микроампер). При этом элек­тротравм никогда не наблюдается. Однако вследствие реф­лекторной реакции на электрический ток (резкое отстранение от заряженного тела) возможна механическая травма при ударе о рядом расположенные элементы конструкций, паде­нии с высоты и т.д. Исследование биологических эффектов показало, что наиболее чувствительны к электростатическому полю центральная нервная система, сердечнососудистая система, анализаторы. Люди, работающие в зоне воздейст­вия ЭСП, жалуются на раздражительность, головную боль, нарушение сна и др.

Воздействие МП может быть постоянным от искусствен­ных магнитных материалов и импульсными. Действие маг­нитных полей может быть непрерывным и прерывистым. Степень воздействия МП на работающих зависит от макси­мальной напряженности его в пространстве магнитного уст­ройства или в зоне влияния искусственного магнита. Доза, полученная человеком, зависит от расположения по отноше­нию к МП и режима труда. При действии переменного магнит­ного поля наблюдаются характерные зрительные ощущения, которые исчезают в момент прекращения воздействия. При постоянной работе в условиях хронического воздействия МП, превышающих предельно допустимые уровни, наблюдаются нарушения функций ЦНС, сердечнососудистой и дыхатель­ной систем, пищеварительного тракта, изменения в крови. Длительное действие приводит к расстройствам, которые субъективно выражаются жалобами на головную боль в височ­ной и затылочной областях, вялость, расстройство сна, сниже­ние памяти, повышенную раздражительность, апатию, боли в области сердца.

При постоянном воздействии ЭМП промышленной час­тоты наблюдаются нарушения ритма и замедление частоты сердечных сокращений. У работающих в зоне ЭМП промыш­ленной частоты могут происходить функциональные наруше­ния ЦНС и сердечнососудистой системы, а также изменения в составе крови.

При воздействие ЭМП радиочастотного диапазона атомы и молекулы, из которых состоит тело человека, поляризу­ются. Полярные молекулы (например, воды) ориентиру­ются по направлению распространения электромагнитного поля; в электролитах, которыми являются жидкие состав­ляющие тканей, крови и т.п., после воздействия внешнего поля появляются ионные токи. Переменное электрическое поле вызывает нагрев тканей человека как за счет перемен­ной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи и т.д.), так и за счет появления токов проводимости. Тепловой эффект является следствием поглощения энергии электромагнит­ного поля. Чем больше напряженность поля и время его воз­действия, тем сильнее проявляются указанные эффекты. Избыточная теплота отводится до известного предела путем увеличения нагрузки на механизм терморегуляции. Однако, начиная с величины I= 10 мВт/см², называемой тепловым порогом, организм не справляется с отводом образующейся теплоты, и температура тела повышается, что приносит вред здоровью.

Наиболее интенсивно электромагнитные поля воздей­ствуют на органы с большим содержанием воды. При оди­наковых значениях напряженности поля коэффициент поглощения в тканях с высоким содержанием воды примерно в 60 раз выше, чем в тканях с низким ее содержанием. С уве­личением длины волны глубина проникновения электромаг­нитных волн возрастает; различие диэлектрических свойств тканей приводит к неравномерности их нагрева, возникно­вению макро- и микротепловых эффектов со значительным перепадом температур.

Перегрев особенно вреден для тканей со слаборазви­той сосудистой системой или с недостаточным кровообра­щением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пузырь). Облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте), которое обнаруживается не сразу, а через несколько дней или недель после облучения. Разви­тие катаракты является одним из немногих специфических поражений, вызываемых электромагнитными излучениями радиочастот в диапазоне 300 МГц — 300 ГГц при плотности потока энергии свыше 10 мВт/см². Помимо катаракты при воздействии ЭМП возможны ожоги роговицы.

При длительном действии ЭМП различных диапазонов длин волн умеренной интенсивности (выше ПДУ) харак­терным считают развитие функциональных расстройств в ЦНС с нерезко выраженными сдвигами эндокринно-обменных процессов и изменениями состава крови. В связи с этим могут появиться головные боли, повыситься или понизиться давление, снизиться частота пульса, измениться проводимость в сердечной мышце, произойти нервно-пси­хические расстройства, быстро развиться утомление. Воз­можны трофические нарушения: выпадение волос, ломкость ногтей, снижение массы тела. Наблюдаются изменения возбудимости обонятельного, зрительного и вестибулярного анализаторов. На ранней стадии изменения носят обрати­мый характер, при продолжающемся воздействии ЭМП про­исходит стойкое снижение работоспособности. В пределах радиоволнового диапазона доказана наибольшая биологи­ческая активность микроволнового (СВЧ) поля. Острые нарушения при воздействии ЭМИ (аварийные ситуации) сопровождаются сердечнососудистыми расстройствами с обмороками, резким учащением пульса и снижением арте­риального давления.

 

5.1.7. Лазерное излучение

 

В последние десятилетия в промышленности, медицине, при научных исследованиях, в системах мониторинга состоя­ния окружающей среды нашли применение лазеры. Их излу­чение может оказывать опасное воздействие на организм человека и в первую очередь на орган зрения. Лазерное излу­чение генерируют в инфракрасной, световой и ультрафиоле­товой областях неионизирующего ЭМИ.

Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволяют создавать интенсивность порядка 10¹⁰ Вт/см², что достаточно для плавления и испарения любого материала. При генера­ции коротких импульсов интенсивность излучения достигает величин порядка 10¹⁵ Вт/см² и больше. Для сравнения отме­тим, что значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего 0,1—0,2 Вт/см².

В настоящее время в промышленности используется ограниченное число типов лазеров. Это в основном лазеры, генерирующие излучение в видимом диапазоне спектра (λ = 0,44÷0,59; λ = 0,63; λ =0,69 мкм), ближнем ИК-диапа-зоне спектра (λ = 1,06 мкм) и дальнем ИК-диапазоне спек­тра (λ = 10,6 мкм).

Область применения лазеров в зависимости от требуемой плотности потока излучения показаны на рис. 5.12.

 

 

При оценке неблагоприятного влияния лазеров все опас­ности разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят факторы, источником образования которых явля­ется непосредственно сама лазерная установка. Вторичные факторы возникают в результате взаимодействия лазерного излучения с мишенью.

К первичным факторам относятся: лазерное излучение, повышенное электрическое напряжение, световое излучение импульсных ламп накачки или газового разряда, электромаг­нитное излучение, акустические шумы и вибрация от работы вспомогательного оборудования, загрязнение воздуха газами, выделяющимися из узлов установки, рентгеновское излуче­ние электроионизационных лазеров или электровакуумных приборов, работающих при напряжении свыше 15 кВ.

Вторичные факторы включают отраженное лазерное излуче­ние, аэродисперсные системы и акустические шумы, образую­щиеся при взаимодействии лазерного излучения с мишенью, излучение плазменного факела.

Лазерное излучение может представлять опасность для человека, вызывая в его организме патологические измене­ния, функциональные расстройства органа зрения, централь­ной нервной и вегетативной систем, а также влиять на такие внутренние органы, как печень, спинной мозг и др. Наиболь­шую опасность лазерное излучение представляет для органа зрения. Основным патофизиологическим эффектом облуче­ния тканей лазерным излучением является поверхностный ожог, степень которого связана с пространственно-энергети­ческими и временными характеристиками излучения.

При создании условий для безопасной эксплуатации лазеров, прежде всего, необходимо с помощью расчета определить лазеро-опасную зону и сформулировать основные принципы защиты от излучения, а также общие требования к организации рабочих мест, методам контроля и дозиметрической аппаратуре.

Лазероопасная зона — пространство, в пределах которого уровни лазерного излучения могут превышать предельно допустимые значения.

Схема расчета облученности роговицы представлена па рис. 5.13.

При прямом облучении для наблюдателя, находящегося непосредственно в конусе узконаправленного лазерного луча (рис. 5.13, а), облученность роговицы глаза вычисля­ется по формуле:

 

 

где — энергетический поток (мощность) лазерного излучения; — коэффициент ослабления излучения на пути от лазера до роговицы глаза; d₀ — диаметр выходного зрачка лазера; — угол расхо­димости луча, рад; R — расстояние от лазера до глаза.

 

 

 

При воздействии на роговицу глаза излучения лазера, отраженного от поверхности (рис. 5.13, б), расположенной на расстоянии R ₁ от выходного отверстия лазера, расчет ведут с учетом отражения. Облученность роговицы глаза наблюда­теля Е_р, находящегося на расстоянии R от поверхности q, зна­чительно превышающем линейные размеры источника, равна произведению энергетической яркости источника на вели­чину телесного угла θ, под которым он виден из точки наблю­дения:

где — коэффициент ослабления излучения на пути от площади поверхности S_q до наблюдателя.

Поверхность q как источник излучения удобно харак­теризовать энергетической яркостью L_е и площадью пятна отражения S^q.

При диффузном отражении энергетическая яркость источ­ника связана с энергетическим потоком лазерного излуче­ния соотношением:

 

где р — коэффициент отражения.

Из анализа приведенных выше соотношений следует, что облученность глаза лазерным источником прямо пропорцио­нальна мощности лазера и обратно пропорциональна квад­рату расстояния до облучаемой поверхности.

Облученность кожных покровов численно равна облучен­ности роговицы глаза. При вычислении уровней облученно­сти органа зрения и кожных покровов в производственных условиях, где расстояния не превышают десятков метров, значения коэффициентов k_l и k_cp можно принять равными единице. Приведенные формулы позволяют связать луче­вые нагрузки на различные биологические ткани с энерге­тической характеристикой источника излучения.

Воздействия лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика глаза при воздей­ствии электромагнитных излучений самых различных длин волн, а также способность оптической системы глаза увели­чивать плотность энергии излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на несколько поряд­ков по отношению к роговице выделяет его в наиболее уяз­вимый орган. Степень повреждения глаза главным образом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина волны и вид излучения (импульсное или непрерывное), а также индивидуальных особенностей глаза.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зре­ния в основном приводит к поражению роговицы. Поверхно­стные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра устраняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4—1,4 мкм кри­тическим элементом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волнам видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн види­мой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областей.

Повреждение глаза может изменяться от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полно­стью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных повреждений, приводящих к ухудшению зре­ния и даже к полной его потере.

Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры глаза. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться.

Лазерное излучение средней инфракрасной области спек­тра может вызвать тяжелое тепловое повреждение рого­вицы.

Из сказанного следует, что лазерное излучение оказы­вает повреждающее действие на все структуры органа зре­ния. Основным механизмом повреждений является тепловое. Импульсное лазерное излучение представляет большую опас­ность, чем непрерывное.

Воздействие лазерного излучения на кожу. Повреждения кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть различ­ными: от легкого покраснения до поверхностного обугливания и образования глубоких дефектов кожи. Эффект воздейст­вия на кожные покровы определяется параметрами излуче­ния лазера и степенью пигментации кожи.

Пороговые уровни энергии излучения, при которых воз­никают видимые изменения в коже, колеблются в сравни­тельно широких пределах (от 15 до 50 Дж/см).

Биологические эффекты, возникающие при облуче­нии кожи лазерным излучением, с учетом их зависимости от длины волны приведены в табл. 5.9.

 

Таблица 5.9

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением

 

Ультрафиолетовая область	Видимая область	Инфракрасная область
Различные фотохимические реак­ции, эритема, разрыв химических свя­зей у большинства молекул, входящих в состав живой ткани, различные пере­рождения, стимулирование появления новообразований, образование свобод­ных радикалов, действие на внутрен­ние органы	В основ­ном терми­ческое дей­ствие	Выраженные деструктив­ные измене­ния термиче­ского харак­тера (ожоги различной сте­пени), пораже­ние внутрен­них органов

 

Действие лазерного излучения на внутренние органы. Лазер­ное излучение (особенно дальней инфракрасной области спектра) способно проникать через ткани тела и взаимодей­ствовать с биологическими структурами на значительной глубине, поражая внутренние органы.

Наибольшую опасность для внутренних органов представ­ляет сфокусированное лазерное излучение. Степень повреж­дения внутренних органов в значительной мере определяется интенсивностью потока излучения и цветом окраски органа. Так, печень является одним из наиболее уязвимых внутрен­них органов. Тяжесть повреждения внутренних органов также зависит от длины волны падающего излучения. Наибольшую опасность представляют излучения с длинами волн, близкими к спектру поглощения химических связей органических моле­кул, входящих в состав биологических тканей.

Кроме лазерного излучения, персонал, занимающийся экс­плуатацией лазерной техники, может подвергнуться воздейст­вию интенсивного светового и ультрафиолетового излучения, источником которого являются лампы вспышки, газоразряд­ные трубки и плазменный факел. Излучение незащищенных ламп накачки весьма вредно для глаз. Воздействие излучения ламп накачки возможно при их разъэкранировании, главным образом, при наладке и в случае самопроизвольного разряда. При эксплуатации лазерных установок также следует учиты­вать и другие опасные факторы, к которым относятся повы­шенное напряжение в электрической цепи, акустический шум, вибрации и вредные вещества. При эксплуатации лазеров необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие мате­риалы. В табл. 5.10 приведены основные опасные факторы, возникающие при эксплуатации лазерных установок.

Таблица 5.10

Опасности, возникающие при эксплуатации лазерных установок, и источники их возникновения

 

Опасности	Источник возникновения опасности
Лазерное излечение: — прямое (зеркальноотражен-ное); — диффузно отраженное	Резонатор лазера, зеркала, опти­ческая система, мишень при воз­действии лазерного излучения
Напряжение в электрической цепи	Цепи управления и источники электропитания лазера
Вредные вещества	Мишень при воздействии лазер­ного излучения, системы охлаж­дения
УФ-излучение и инфракрасная радиация	Мишень при воздействии лазер­ного излучения и газоразрядные трубки
Шум и вибрация	Мишень при воздействии лазер­ного излучения, вспомогательное оборудование

 

Зоны опасного влияния современных лазерных устано­вок обычно ограничены размерами производственного поме­щения.

 

5.1.8. Ионизирующие излучения

 

Радиация имеет естественное и техногенное происхож­дение. Чтобы оценить уровень опасности, которую может представлять радиация, рассмотрим свойства ионизирующих излучений и механизмы взаимодействия их с веществом.

Самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра другого типа, сопровождающееся испусканием частиц или гамма-квантов, называется радиоактивностью. Известны четыре типа радиоактивности: альфа-распад; бета-распад; спонтанное деление ядер; протонная радиоактивность.

Испускаемые в процессе ядерных превращений альфа и бета-частицы, нейтроны и другие элементарные частицы, а также гамма-излучение, представляют собой ионизирующие излучения, которые в процессе взаимодействия со сре­дой производят ионизацию и возбуждение ее атомов и моле­кул. При этом примерно половина переданной ионизирующим излучением веществу энергии расходуется на ионизацию и половина на возбуждение. На каждый акт ионизации и воз­буждения в воздухе в среднем расходуется 34—35 эВ энергии. Один электронвольт (эВ) — единица энергии, используемая в атомной физике, равная кинетической энергии электрона, приобретаемой им при прохождении разности потенциалов, равной 1В:

1 эВ = 1,6 • 10ˉ¹⁹ Дж = 1,6 • 10ˉ¹² эрг.

Заряженные частицы по мере прохождения через веще­ство теряют свою энергию малыми порциями, растрачивая ее на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Оба эти процесса всегда сопутствуют друг другу. Чем больше масса и заряд частицы, тем более интенсивно происходит передача энергии среде, т.е. тем больше число пар ионов образуется на единице пути, и, следовательно, меньше ее пробег в веще­стве (рис. 5.14). Длина пробега в воздухе альфа-частиц, испус­каемых радионуклидами, энергия которых лежит в пределе 4—9 МэВ, составляет 3—9 см.

 

 

Рис. 5.14. Три вида ионизирующих излучений и их проникающая способность

 

Что же касается бета-частиц (электронов и позитро­нов), заряд которых в два раза, а масса более чем в 7000 раз меньше, чем у альфа-частицы, то их пробег в воздухе при­мерно в 1000 раз больше. В мягкой биологической ткани пробеги альфа-частиц составляют несколько десятков мик­рометров, а бета-частиц 0,02 и 1,9 см соответственно для угле­рода-14 и калия-42.

Несколько по иному происходит взаимодействие с вещест­вом гамма-излучения (поток фотонов) и нейтронов, которые не обладают зарядами и поэтому непосредственно ионизации не производят. В процессе прохождения через вещество фотон взаимодействует в основном с электронами атомов и моле­кул среды. При этом в каждом акте взаимодействия фотон придает электрону часть или всю свою энергию. В резуль­тате образуются так называемые вторичные электроны, кото­рые в последующих процессах взаимодействия производят ионизацию и возбуждение. Таким образом, в случае гам­ма-излучения ионизация происходит не в первичных актах взаимодействия, как у альфа и бета-частиц, а как результат передачи энергии вторичным частицам (электронам), кото­рые растрачивают ее затем на ионизацию и возбуждение.

Для оценки радиационной обстановки, формируемой рент­геновским или гамма-излучением, используется внесистемная единица рентген. Рентген (Р) — это единица экспозицион­ной дозы рентгеновского или гамма-излучения, которая опре­деляет ионизирующую способность в воздухе. При дозе 1 Р в 1 см³ воздуха образуется 2,082 • 10 пар ионов или в 1 г воз­духа — 1,61·10² пар ионов; 1 Р = 2,58·10ˉ⁴Кл/кг.

На практике радиационная обстановка обычно измеряется в единицах мощности экспозиционной дозы — миллирентге­нах в час (мР/ч) или микрорентгенах в секунду (мкР/с).

В качестве характеристик меры воздействия ионизирую­щего излучения на вещество используется величина погло­щенной дозы D. Она характеризует поглощенную энергию ионизирующего излучения в единице массы вещества:

где dE — средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm — масса веще­ства в этом объеме.

 

Согласно Международной системе единиц (СИ) едини­цей поглощенной дозы является грей (Гр); 1 Гр соответст­вует поглощению 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества 1 кг, т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Иногда используется внесистемная единица поглощенной дозы — рад; 1 Гр = 100 рад или 1 рад = 0, 01 Гр.

Поглощенная доза является основной величиной, характе­ризующей не само излучение, а его воздействие на вещество. Однако поглощенная доза не может служить мерой, харак­теризующей уровень биологического действия ионизирую­щего излучения на живой организм. Этот уровень зависит не только от величины поглощенной энергии, но и целого ряда других параметров, обусловленных характером и усло­виями облучения (равномерность распределения поглощен­ной дозы в организме и т.д.).

Для оценки радиационной опасности, когда реализуются малые дозы излучения, введена эквивалентная доза как мера выраженности эффекта облучения, равная произведе­нию поглощенной в органе или ткани дозы на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения W_R:

 

Где - средняя поглощенная доза в органе или ткани.

Согласно Международной системе единиц (СИ) едини­цей эквивалентной дозы является зиверт (Зв); 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощен­ной дозы в биологической ткани на взвешивающий коэффи­циент равно 1 Дж/кг. Внесистемная единица эквивалентной дозы — бэр (биологический эквивалент рада); 1 бэр = 0,01 Зв или 1 Зв = 100 бэр.

Взвешивающие коэффициенты учитывают относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов. В настоящее время приняты сле­дующие усредненные взвешивающие коэффициенты W_R:

Примечание. Все значения W_R относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения — к излучению, испускаемому при ядерном превращении.

Это значит, что биологическая эффективность быстрых нейтронов в 10 раз и альфа-излучения в 20 раз больше, чем бета-частиц и гамма-излучения. Следовательно, радиацион­ный эффект (возможный ущерб здоровью), соответствующий эквивалентной дозе, равной 1 Зв, будет реализован при поглощенной дозе, равной 1 Гр для бета-частиц и гамма-из­лучения (W_R= 1); 0,1 Гр — для быстрых нейтронов (W_R= 10); 0,05 Гр — для альфа-частиц (W_R = 20).

Эквивалентная доза — основная дозиметрическая вели­чина в области радиационной безопасности, введенная для оценки возможного ущерба здоровью человека от хрониче­ского воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. Эквивалентная доза может быть использована и при кратковременном воздействии, когда ее значение не превы­шает 0,5 Зв (50 бэр).

При воздействии разных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для R видов излу­чения:

 

В ряде случаев облучению подвергается не все тело, а один или несколько органов. Такая ситуация чаще всего реализу­ется при внутреннем облучении, т.е. при поступлении радио­нуклидов в организм с вдыхаемым воздухом или пищевыми продуктами. Радионуклид, как и неактивный нуклид данного химического элемента, накапливается в том или ином органе. В частности, радионуклиды йода поступают преимущественно в щитовидную железу, радия и стронция — в костную ткань, полония — в печень, селезенку, почки и т.д.

Поскольку органы и ткани человека обладают различной радиочувствительностью, то для оценки риска возникнове­ния отдаленных последствий при облучении всего организма или отдельных органов используется понятие эффективной эквивалентной дозы Е. Единица этой дозы — зиверт (Зв). Она так же, как и эквивалентная доза, применима только для хро­нического облучения в малых дозах и является мерой оценки ущерба здоровью при отдаленных последствиях.

По определению:

 

Где — эквивалентная доза в органе или ткани Т; W_T — взвеши­вающий коэффициент для органа или ткани Т, который характери­зует относительный риск на единицу дозы по выходу отдаленных последствий при облучении данного органа по отношению к облу­чению всего тела.

 

Из представленных данных (рис. 5.15) следует, что при облучении, например, только щитовидной железы (W_T= 0,05) эффект по отдаленным последствиям будет составлять всего 5% того эффекта, который может быть реализован при облу­чении всего тела.

При экспозиционной дозе в 1 Р в месте измерения экви­валентную дозу с достаточной степенью точности можно принять равной 0,013 Зв. Например, если измеренная мощ­ность дозы на местности равна 10 мР/ч, а человек в течение 1 ч находится в месте измерения, то уровень облучения соста­вит примерно 0,1 мЗв.

 

 

 

Кроме рассмотренных выше доз ионизирующего облуче­ния, рассматривается эффективная эквивалентная годовая доза, равная сумме эффективной эквивалентной дозы внеш­него облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной эквивалентной дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год. Эффективная эквивалентная годовая доза также измеряется в зивертах.

Рассмотренные выше понятия описывают только инди­видуально получаемые дозы. В случае облучения боль­ших групп людей дают оценку суммарного ожидаемого эффекта. При облучении малыми дозами, незначительно превышающими естественный радиационный фон, можно ожидать лишь отдаленных последствий генетической или соматической природы. Соматические эффекты проявля­ются непосредственно у облученных лиц, генетические — в последующих поколениях. Мерой коллективного риска возникновения эффектов облучения служит эффективная эквивалентная коллективная доза, которая определяется как сумма индивидуальных эффективных доз. Единицей эффективной эквивалентной коллективной дозы является человеко-зиверт (чел.-Зв).

Многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем, т.е. их воздействию подвергнутся современные и последующие поколения. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения от какого-либо радио­активного источника за все время его дальнейшего суще­ствования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Различные дозы, используемые для оценки последствий воздействия излучения на людей, приведены на рис. 5.16.

В табл. 5.11 приведены основные дозиметрические вели­чины, используемые в радиационной безопасности, и еди­ницы их измерения.

 

 

 

 

Таблица 5.11