Прибор для измерения ионизирующего излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Виды ионизирующих излучений

После открытия деления ядер тяжелых элементов начала развиваться ядерная энергетика. Развитие этой новой области связано с появлением различных методов исследования. После страшной чернобыльской катастрофы, которая встревожила весь мир, началось активное развитие новой среди разделов общей экологии - радиоэкология. Когда ядерное горе постигло летом 1945 г. Хиросиму и Нагасаки, ужасные последствия атомной бомбардировки и первого в истории человечества взрыва такой силы тоже обратили на себя внимание и вызвали беспокойство всего человечества. Однако тогда на фоне трагедии Второй мировой войны и из-за нехватки информированности и отсутствие знаний о возможных последствиях радиоактивных загрязнений и нанесения вреда биосфере человечество еще не могло объективно оценить всю серьезность этой проблемы. Наоборот, под влиянием милитаристических сил в развитых странах невидаными темпами начали сохранять и наращивать арсенал ядерного оружия, стремясь достичь самой большой разрушительной силы. Однако уже через 10-15 лет начали понимать всю недальновидность такой политики, увеличение угрозы мировой катастрофы в результате ядерной войны. Были сделаны первые расчеты возможных изменений экосистем регионального масштаба, огромных потерь не только государственного, но и мирового масштаба. Появились первые предостережения. С 70-х годов нашего века широкие массы общества начали активно включаться в борьбу за разоружение, мирное сосуществование государств с разным социально-политическим устроем. Изучение радиоактивности началось с 1933 г., а ее губительного воздействия как компонента ядерной бомбы - с 1945 г. Исследования с целью определения глобального влияния на биосферу антропогенной радиации, ядерного оружия, отходов от производства, действующих АЭС, аварий на них, а также прогнозирование развития атомной энергетики на далекую перспективу были начаты в 1986 г. Быстрое развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующих излучений в различных областях науки, техники и народного хозяйства создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Поэтому вопросы защиты от ионизирующих излучений (или радиационная безопасность) превращаются в одну из важнейших проблем. Связи между жизнью, здоровьем людей, положением флоры и фауны и современным уровнем радиационного загрязнения всей планеты и отдельных ее регионов очень сложные. Изучение и использование их на благо человека - одно из главных заданий радиоэкологии. Основными аспектами радиоэкологии является изучение радиоактивного фона, характера антропогенных радиоактивных загрязнений геосфер, продуктов питания, организма человека, исследование эффектов и установка нормативов ионизирующего излучения. До середины ХХ в. основным источником ионизирующего излучения были природные источники - горные породы, Космос. Однако и тогда уровни земной радиации в разных регионах были различны, достигая максимальных значений в районах залежей урановых руд, радиоактивных сланцев, фосфоритов или кристаллических пород, ториевых песков, радоновых минеральных источников (Индия - штаты Керала и Тамилнад, Бразилия - штат Рио-де-Жанейро, Иран, Канада, Чехия и Словакия, ЮАР, Нигерия и др.). Известны такие аномальные районы и у нас на Украине - Хмельник, Мироновка, Желтые воды. В этих местах уровни природного активного фона в десятки и сотни раз выше, чем в других. Из-за того, что до недавнего времени не было известно о присутствии тех или иных отклонений в здоровье и развитии людей, которые проживают в районах с повышенным радиоактивным фоном, показатели продолжительности жизни, количество мертворожденных, болезни на лейкоз, рак у жителей этих районов был среднестатистично нормальным. На основе новых исследований и глубокого анализа проблемы можно сделать вывод, что и раньше, десятки и сотни лет тому назад, повышенный радиационный фон негативно влиял на население. Это выявлялось в значительном увеличении количества больных с синдромом Дауна (почти в 5 раз), другими патологическими проявлениями, особенно раковыми опухолями. Сейчас главными источниками радиоактивных загрязнений биосферы являются радиоактивные аэрозоли, которые поступают а атмосферу во время испытаний ядерного оружия, аварий на АЭС и радиоактивных производствах, а также радионуклиды, которые выделяются из радиоактивных отходов, захороненных на суше и в море, с отработанных атомных реакторов и сооружений. Во время аварий атомных реакторов, разгерметизации залежей радиоактивных отходов радиационная грязь расползается на десятки и сотни километров, вследствие взрывов ядерных бомб - по всей планете. По силе и глубине влияния на организм ионизирующее излучение считается самым сильным. Разные организмы имеют неодинаковую стойкость к действию радиоактивного облучения, даже клетки одного организма имеют разную чувствительность. Различают несколько видов ионизирующего излучения. Излучение, отклоняющееся в сторону Севера, называется альфа-излучением, Юга - бета-излучением; излучение, не отклоняющееся магнитным полем, называется гамма-излучением (оно не имеет электрического заряда). В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных альфа-активных ядер. Альфа-распад характерен для тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.).

Альфа-частицы - это положительно заряженные ядра гелия. Они обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью и двигаются со скоростью 20000 км/с.

Бета-излучение - это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), которые выпускаются при бета-распаде радиоактивных изотопов.

Их скорость приближается к скорости света. Бета-частицы при взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего первоначального направления. Поэтому путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собой не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Наиболее высокоэнергетические бета-частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм., однако ионизирующая способность их меньше, чем у альфа-частицы.

Гамма-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность гамма-излучения значительно меньше, чем у альфа- и бета-частиц. Гамма-излучение - это электромагнитные излучения высокой энергии. Оно обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах. Ионизирующие излучения имеют ряд общих свойств, два из которых - способность проникать через материалы различной толщины и ионизировать воздух и живые клетки организма - заслуживают особенно пристального внимания.

При изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности:

Высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызывать глубокие биологические изменения в организме.

Наличие скрытого, или инкубационного, периода проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах.

Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией.

Излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект.

Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,002 - 0,005 Гр уже наступают изменения в крови.

Не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

Облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозевызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.

Энергия, излучаемая радиоактивными веществами, поглощается окружающей средой. В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биохимические процессы.

Известно, что 2/3 общего состава ткани человека составляют вода и углерод; вода под воздействием излучения расщепляется на водород H и гидроксильную группу ОН, которые либо непосредственно, либо через цепь вторичных превращений образуют продукты с высокой химической активностью: гидратный оксид НО и перекись водорода Н О. Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая ее.

В результате воздействия ионизирующего излучения нарушаются нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ в организме. В зависимости от величины поглощенной дозы излучения и индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольших дозах пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы при длительном воздействии могут вызвать необратимое поражение отдельных органов или всего организма. Любой вид ионизирующих излучений вызывает биологические изменения в организме как при внешнем (источник находится вне организма), так и при внутреннем облучении (радиоактивные вещества попадают внутрь организма, например пероральным или ингаляционным путем).

Рассмотрим действие ионизирующего излучения, когда источник облучения находится вне организма. Биологический эффект ионизирующего излучения зависит от суммарной дозы и времени воздействия излучения, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма. При однократном облучении всего тела человека возможны биологические нарушения в зависимости от суммарной поглощенной дозы излучения.

При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающими смертельную дозу, человек может погибнуть во время облучения.

Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова - 20, нижняя часть живота - 30, верхняя часть живота - 50, грудная клетка - 100, конечности - 200Р/ч

Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова. Если рассматривать ткани органов в порядке уменьшения их чувствительности к действию излучения, то получим следующую последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 0,5 Гр через сутки после облучения может резко сократиться число лимфоцитов (продолжительность жизни которых и без того незначительна - менее 1 сут. Уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечении двух недель после облучения (продолжительность жизни эритроцитов примерно 100 сут.). У здорового человека насчитывается порядка 10 красных кровяных телец и при ежедневном воспроизводстве 10, у больного лучевой болезнью такое соотношение нарушается, и в результате погибает организм.

Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение по времени, тем меньше его поражающее действие.

Неодинаковую радиочувствительность имеют организмы разного возраста. Чем моложе организм, тем он чувствительнее к радиации, чем сложнее организм, тем он больше поражается радиацией. В сложно построенных организмах с их тонкоскоординированными и взаимозависимыми функциями бесчисленных органов и систем намного больше и слабых звеньев, где возникают цепные реакции дезадаптации и патологии.

Считается, что биологическая эффективность альфа-частиц и тяжелых ядер в 20 раз выше, а нейтронов и протонов с энергией меньше 10 МеВ в десять раз выше, чем гамма-частиц и рентгеновского излучения.

Конечный результат облучения (кроме отдаленных последствий) зависит не столько от полной дозы, сколько от действия ее мощности, или времени, за которое она была накоплена, а также характера ее распределения. Это связано с тем, что в живых организмах в ответ на облучение включаются защитные механизмы системы адаптации и компенсации, которые должны обеспечить стабильность внутренней среды организма (гомеостаз) и обновить нарушенные функции. Результат зависит от соотношения количества поврежденных тканей и защитно-обновляющей способности организма.

Внешнее облучение альфа-, а также бета-частицами менее опасно. Они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных и других внутренних органов. При внешнем облучении необходимо учитывать гамма- и нейтронное облучение, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают ее.

Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и биологический эффект. Так, при облучении фотонами поглощенной дозой 450 рад участки тела площадью 6 кв. см заметного поражения не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50 % смертельных случаев.

Радиоактивные вещества могут попасть внутрь организма при вдыхании воздуха, зараженного радиоактивными элементами, с зараженной пищей или водой и, наконец, через кожу, а также при заражении открытых ран.

Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от степени дисперсности частиц. Из проводившихся над животными опытов установлено, что частицы пыли размером менее 0,1 мкм ведут себя так же, как и молекулы газа, т.е. при вдохе они попадают вместе с воздухом в легкие, а при выдохе вместе с воздухом удаляются. В легких может оставаться только самая незначительная часть твердых частиц. Крупные частицы размером более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью.

Гораздо чаще вследствие несоблюдения правил техники безопасности радиоактивные вещества попадают в организм через пищеварительный тракт. Проникновение радиоактивных загрязнений через раны или через кожу можно предотвратить, если соблюдать соответствующие меры предосторожности. Опасность радиоактивных элементов, попадающих тем или иным путем в организм человека, тем больше, чем выше их активность. Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма, однотипны с элементами, которые потребляются человеком с пищей (натрий, хлор, калий и др.), то они не задерживаются в организме, а выделяются вместе с ними. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и др.), попавшие через легкие в кровь, не являются соединениями, входящими в состав ткани. Поэтому они со временем полностью удаляются из организма.

Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или менее равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так, в костных тканях отлагаются источники альфа-излучения - радий, уран, плутоний; бета-излучения - стронций и иттрий; гамма-излучения - цирконий. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма. Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран и др.). Элементы, образующие в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма.

Следует помнить, что рассчитывая величины доз радиационного облучения для того или иного человека, групп людей или объектов, всегда нужно отличать и учитывать космическое (внеземное), природное радиоактивное земное излучение и излучение, связанное с использованием человеком радиоактивных веществ.

Космическое излучение состоит из галактического и солнечного, которое изменяется в зависимости от активности процессов на Солнце и в его недрах. Энергия космического излучения по сравнению с другими достаточно малая возле поверхности Земли, однако в области стратосферы, ионосферы и экзосферы ее значение в облучении очень растет. Это излучение состоит из протонов и тяжелых ядерных частиц с очень большой энергией. Часть этой энергии используется на столкновение с ядрами атмосферного азота, кислорода, аргона, в результате чего на высотах около 20 км возникает вторичное высокое энергетическое свечение. Оно состоит из мезонов, нейтронов, протонов и электронов. Тут появляются космогенные радионуклиды, которые с атмосферными осадками попадают на поверхность Земли - тритий, уголь-14, бериллий-7, натрий-22 и др. (всего более десяти). Поскольку интенсивность космического излучения растет, экипажи самолетов и пассажиры, которые часто летают на высоте 8 - 11 км, со временем получают довольно значительные дозы радиации (за 2 часа полета больше, чем за неделю на земной поверхности).

Каждый житель планеты в среднем от космического облучения на протяжении года получает радиационную дозу около 300 мкЗв (0,03 Бер).

Земных природных источников излучения сейчас насчитывается около 60, а именно: 32 - ураново-радиевые и ториевые группы, 11 - из групп других долгоживущих радионуклидов, таких как калий-40, рубидий-87 и др.

Исследования, которые проводились на протяжении последних лет, свидетельствуют, что дома, в которых живут и работают люди, с одной стороны, защищают их от внешних радиационных облучений, а с другой - увеличивают общую дозу облучения за счет радионуклидов, которые содержатся в строительных материалах, и радона, который внутри помещений. Уже досконально известно, что в деревянных домах мощность радиационной дозы в два-три раза меньше, чем в каменных или бетонных. А в домах, построенных из шлакоблоков, мощность радиационной дозы, как правило, в десятки раз больше, чем в деревянных.

Население городов, особенно больших, в целом всегда получает дозы выше по сравнению с жителями сельских местностей. Самый сильный радиационный фон в городах повышают граниты, в которых урана больше в два-три раза, тория в три-десять раз, чем в песчаниках и известняках. Остановимся на таком факте, как негативное влияние на здоровье человека радона, который в последнее время обратил на себя внимание ученых в Америке и в Европе. В 1992 г. ему было посвящено много публикаций в научной литературе и прессе.

Радон - радиоактивный газ, продукт радиоактивного превращения урана, тория, радия. Попадая в организм, он сразу наносит вред железам внутренней секреции, гипофизу, коре надпочечных органов. Это вызывает у трети населения удушье, сердцебиение, мигрень, тревожное состояние, бессонницу. Иногда развиваются злокачественные опухоли в легких, печени, селезенке. Этот газ не имеет цвета, запаха, вкуса.

Еще около 400-300 лет тому назад в Южной Германии были известны случаи смерти рудокопов-горников, которые отравлялись под землей каким-то газом. Теперь известно, что это был радон. Болезнь горников в 1937 г. исследовал немецкий врач Л. Телепи. Он установил, что эта смертельная болезнь является раком легких и развилась она из-за высокой концентрации радона в воздухе шахт и рудников.

Сегодня установлено, что на всех континентах во многих домах (сотни тысяч) присутствует радон. Он накапливается в помещениях, где плохая вентиляция, из-за присутствия так называемого "эффекта печной трубы", когда тяжелый, полный радона воздух втягивается через щели, окна, двери в жилище. Кроме того, он выделяется из строительных материалов и конструкций.

В 1984 г. Национальная комиссия радиационной безопасности США сообщила населению своей страны об опасности отравления радоном. Тогда в США было обследовано сотни тысяч домов и во многих из них выявлено повышенное количество радона, влияние которого на организм было негативным, аналогичным выкуриванию сорока сигарет на день. Около 20 % домов США имеют такое количество радона в воздухе, что проживать в них опасно. Американские ученые считают, что от рака легких радонового происхождения в США каждый год умирает около 10 тыс. человек. В 1987 г. было образовано Бюро по защите от радона во Франции.

Сейчас установлено также, что одной из причин резкого увеличения концентрации радона в помещениях являются магнитные бури. Вследствие исследования домов в России и на Украине во многих из них выявлено повышенное количество радона, в двух-трех из сотни дозы являются очень опасными. Украинский научный центр радиационной медицины начал осмотр сооружений определенных районов и исследование этой проблемы. Ученые центра утверждают, что около 70 % дозы облучения населения Украины от всех источников природной радиоактивности припадает на радон. Виноватым является украинский щит - тектоническая структура, которая тянется с севера на юг почти посередине Украины и занимает около 30 % всей территории. Состоит этот щит из гранитов и других кристаллических пород, которые имеют повышенную радиоактивность.

Как было выявлено, природные радионуклиды, которые входят в состав строительных материалов, могут быть одним из основных источников облучения населения. Повышенную радиоактивность имеют сланцы, фосфориты. Поэтому фосфорные минеральные удобрения часто являются носителями радиоактивного загрязнения грунтов и грунтовых вод.

Персонал и больные курортов, где лечат радоновыми ваннами, получают дозы облучения, что в шесть раз больше установленных международных норм (более 300 мЗв в год). Радионуклиды ведут себя по разному в воздухе, грунтах, воде и в живых организмах, потому что в разных средах неодинаково действуют физико-химические факторы: адсорбция, ионный обмен, седиментация, флокуляция. Из трех путей проникновения радионуклидов в организм (с воздухом, через кожу и с едой) наибольшее значение имеет потребление с едой.

В зависимости от распределения в тканях организма различают такие радионуклиды: остеотропные - накапливаются в костях (стронций, кальций, барий, радий, иттрий, цирконий, плутоний); те, что задерживаются в печенке (до 60 %) и скелете (до 25 %) - церий, лантан, прометий; те, что распределяются равномерно (тритий, уголь, железо, полоний, инертные благородные газы);те, что остаются в мышцах (калий, рубидий, цезий), селезенке и лимфатических узлах (ниобий, рутений), щитовидной железе (йод). Радиоизотопы йода в щитовидной железе концентрируются в 100-200 раз больше, чем в других тканях и органах. Разрушение железы начинается при дозе облучения, которое равняется 100 Гр.

Ионизирующее излучение, воздействуя на живой организм, вызывает в нем цепочку обратимых изменений, которые приводят к тем или иным биологическим последствиям, зависящим от воздействия и условий облучения. Первичным этапом - спусковым механизмом, инициирующим многообразные процессы, происходящие в биологическом объекте, являются ионизация и возбуждение. Именно в этих физических актах взаимодействия происходит передача энергии ионизирующего излучения облучаемому объекту.

Какие же процессы происходят в результате ионизации и возбуждения?

Известно, что в биологической ткани 60 - 70 % по массе составляет вода. В результате ионизации молекулы воды образуются свободные радикалы Н и ОН.

В присутствии кислорода образуются также свободный радикал гидроперекиси (НО) и перекись водорода (НО), являющиеся сильными окислителями.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, - токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом.

Специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты заключается в том, что производимый им эффект обусловлен не столько количеством поглощенной энергии в облучаемом объекте, сколько той формой, в которой эта энергия передается. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение.

Сегодня защита организма человека и живой составной биосферы от радиоактивного излучения в связи с увеличивающимся радиоактивным загрязнением планеты стала одной из самых актуальных проблем экологической науки. Сформировалась и преподается во многих ВУЗах новая дисциплина - радиоэкология. Издаются многочисленные труды по радиоэкологии.

Основное их задание - ликвидировать дефицит знаний о природе и влияние радиации на биоту, ослабить вред от радиофобии там, где она возникает необоснованно, без объективных причин, а также предостеречь от существенной опасности. Потому что радиация - это неотъемлемый элемент нашей жизни, один из многих факторов окружающей среды. Наша жизнь зародилась в "радиационной колыбели". Все виды флоры и фауны Земли во время многих лет возникали и развивались под постоянным влиянием природного фона и приспособились к нему. Однако искусственно созданные радиоактивные вещества, ядерные реакторы, сооружения сконцентрировали неведомые ранее в природе объемы ионизирующего излучения, к чему природа была не подготовлена.

Основные особенности биологического действия ионизирующих излучений следующие:

Действие ионизирующих излучений на организм неощутимы человеком. У людей отсутствует орган чувств, который воспринимал бы ионизирующие излучения. Поэтому человек может проглотить, вдохнуть радиоактивное вещество без всяких первичных ощущений. Дозиметрические приборы являются как бы дополнительным органом чувств, предназначенным для восприятия ионизирующего излучения.

Видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерные для лучевого заболевания, появляются не сразу, а спустя некоторое время.

Суммирование доз происходит скрыто. Если в организм человека систематически будут попадать радиоактивные вещества, то со временем дозы суммируются, что неизбежно приводит к лучевым заболеваниям.

Какие же последствия дальнейшего загрязнения биосферы радиоактивными веществами?

Во-первых, не обращая внимания на резкий спад гонки ядерных вооружений и ослабления угрозы глобальной войны, опасность гибели живого компонента биосферы от военных ядерных запасов еще существует. Продолжают испытания ядерного оружия французские и китайские военные, некоторые страны стремятся получить это оружие, не уничтожено огромные запасы ядерных бомб, снарядов и ракет, накопленных за 45 лет США, бывшим СССР, Францией, Англией (их хватит, чтобы несколько раз уничтожить на Земле все живое), еще существуют силы в разных странах, которые могут спровоцировать ядерную войну.

Нет гарантии, что не произойдет несчастный случай или авария на военных базах, полигонах, объектах, где есть ядерные запасы. Не исключена также возможность заполучения и применения ядерного оружия террористами или маньяками, фанатично настроенными националистическими элементами.

Итак, далее на всех уровнях и во всех направлениях следует проводить активную работу против накопления ядерного оружия, ее испытаний, выступать за ее полное уничтожение. Для этого необходимы международные договора, законы, договоренности и постоянный строгий международный контроль за их исполнением. Активное участие в этом деле должна принимать общественность, молодежь, студенчество, как это успешно делает международная независимая организация Гринпис, филиалы которой находятся в 26 странах мира.

Во-вторых, не решена проблема атомной энергетики, хоть отношение к ней после чернобыльской аварии резко изменилось во всем мире. Усовершенствуются конструкции реакторов, увеличивается надежность АЭС, но остается проблема захоронения отходов (остатки обогащения урановой руды, отработанные топливо, реакторы и другие сооружения), существует много сотен опасных могильников твердых и жидких радиоактивных отходов во всем мире, особенно в Мировом океане.

Для решения этих проблем необходимы дальнейшее расширение гласности и правдивая информация обо всем, что связано с атомным оружием и атомной энергетикой, широкое экологическое образование, особенно в отрасли радиоэкологии, специальное санитарное воспитание населения, станций или пунктов постоянного радиационного контроля за состоянием воздуха, воды, грунтов, флоры и фауны во всех населенных регионах. Наконец, нужно разработать усовершенствованные способы защиты от радиации и методы дезактивации природной среды.

2. Нарушения процессов жизнедеятельности организма при биологическом воздействии радиации

Под биологическим действием ионизирующих излучений понимают их способность вызывать функциональные и анатомические изменения в клетках, тканях, органах и организме в целом. Биологическое действие ионизирующих излучений является результатом возбуждения и ионизации атомов живой материи. Заряженные частицы и фотоны, проходя через ткани животного организма, вызывают возбуждение атомов и распад их на отрицательно заряженные частицы - ионы. Следовательно, в результате прямого действия радиации в клетках и тканях образуются возбужденные и ионизированные атомы и молекулы, обладающие высокой химической активностью. Их появление и влияние на различные компоненты клетки выражают начальный этап развертывания биологического эффекта. При этом изменяются не только те молекулы и клетки, которые вступили в непосредственное взаимодействие с частицами и фотонами, но и многие другие. Радионуклиды обладают различной биологической эффективностью и по своему биологическому действию различаются между собой в зависимости от вида, энергии излучения, периода полураспада, величины всасывания, накопления и скорости выведения из организма. Энергия от клеток, поглотивших ее, передается клеткам, не подвергавшимся облучению, т.е. происходит миграция энергии. В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях происходят сложные физические, химические и биологические процессы. Если воздействию подвергалось мало клеток, то процесс может быть обратимым, т.е. химическая структура тканей восстанавливается, вредные продукты удаляются, функция клеточных популяций нормализуется. В противном случае процесс оказывается необратимым: в тканях развиваются дистрофические и некробиотические (омертвления) изменения и живой организм погибает. Основную по объему и весу часть состава ткани живого вещества человека составляет вода (60-70 % веса тела) и углерод. В процессе радиолиза в воде организма возникают молекулярные ионы, которые под воздействием излучения расщепляются (диссоциируют) на активные радикалы - водород Н и гидроксильную группу ОН. Дальнейшие реакции ведут к появлению в тканях соединений пероксидного типа - гидратный оксид и перекись водорода Н202. Эти соединения при нормальных физиологических условиях в организме не встречаются. Все эти активные соединения взаимодействуют в клетках и тканях с молекулами растворенных в воде веществ, т.е. происходят первичные радиационно-химические реакции. Белковые молекулы также претерпевают под влиянием ионизирующего излучения различного рода изменения: молекула белка под действием фотона разрушается и распадается на аминокислоты (фотолиз белка) с образованием токсических гистаминоподобных соединений. Таким образом, ионизирующие излучения вызывают физико-химические изменения и в клетках и межклеточном веществе, а также происходит изменение ферментов, которые играют в организме роль катализаторов биохимических реакций. Распад молекулы фермента сопровождается нарушением нормального хода соответствующих биохимических процессов. Особую роль играет нарушение деятельности дыхательных ферментов, приводящих к расстройству тканевого дыхания. Клеточные ядра теряют способность синтезировать определенные типы белка, вследствие чего нарушается процесс ре-дублирования сложных макромолекул, что приводит к поражению нуклеиновых кислот и, особенно, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Без синтеза ДНК невозможно митотическое деление клеток и клеточное размножение. Результатом нарушения редублирования белковых молекул являются мутации - возникновение дочерних клеток с измененными свойствами. Под действием радиации изменяется течение белкового, углеводного, липоидного и холестеринового обмена веществ. В формировании биологического эффекта особое значение имеет деятельность интегрирующих систем организма - нервной системы, тесно связанного с ней эндокринного аппарата и гуморальной системы, транспортирующей по организму токсические продукты, образующиеся в тканях в результате облучения. Под влиянием ионизирующего излучения в нервной ткани также происходит ионизация атомов и молекул и первичные радиохимические реакции, нарушающие процессы нервной регуляции. В первые минуты после облучения в крови и лимфе появляются токсические продукты (яды), которые оказывают непосредственное влияние на нервную и эндокринную системы, а также на клетки и органы и вызывают в организме состояние повышенной радиочувствительности (аутосенсибилизацию). Степень чувствительности к облучению различных тканей и органов организма человека неодинакова: в порядке уменьшения их чувствительности к облучению имеется следующая последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозы 0,5 Гр через сутки после облучения может резко сократиться число лимфоцитов, продолжительность жизни которых и без того незначительна - менее одних суток. Уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечении двух недель после облучения (продолжительность жизни эритроцитов примерно 100 суток). У здорового человека насчитывается порядка 1014 красных кровяных телец и при ежедневном их воспроизводстве в количестве10-12, у больного лучевой болезнью соотношение нарушится, и в результате погибает организм. Соматические (телесные) эффекты - это последствия действия облучения на самого облученного, а не на его потомство. Соматические эффекты облучения делят на стохастические (вероятностные) и не стохастические. К не стохастическим соматическим эффектам относят поражения, вероятность возникновения и степень тяжести которых растут по мере увеличения дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог. К таким эффектам относят, например, локальное не злокачественное повреждение кожи, (лучевой ожог), катаракта глаз (потемнение хрусталика), повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др. Время появления максимального эффекта также зависит от дозы: после более высоких доз он наступает раньше. Эти дозы и эффекты применимы к среднему индивидууму в популяции здоровых людей, а не к какому-либо конкретному индивидууму, реакция которого может отличатся от средней. Например, у 1 % населения может проявляться очень высокая радиочувствительность вследствие врожденных генетических расстройств. На этой же схеме показана предельно допустимая доза профессионального облучения всего тела и критических органов 1 группы, равная 50 мВ/год, которая рассчитана на 50 лет трудовой деятельности. МКРЗ рекомендует это значение в качестве норматива профессионального облучения в единицах не эффективной эквивалентной дозы. Имеются данные многочисленных и длительных наблюдений за персоналом и населением, подвергшимся воздействию повышенных доз (облучение в медицинских целях, проведение ремонтных работ на ядерных установках и т.п.). Из этих данных следует, что длительное профессиональное облучение дозами до 50 мВ в год взрослого практически здорового человека не вызывает никаких неблагоприятных соматических изменений, реально регистрируемых с помощью современных методов исследования. Согласно этим биологическим и клиническим данным, нестохастические эффекты при длительном хроническом облучении полностью исключаются, если эквивалентная доза излучения не превышает 500 мВ в год на любой орган, за исключением хрусталика глаза, для которого годовая доза должна быть не более 150 мВ. Нестохастические эффекты проявляются при достаточно высоком или аварийном облучении всего тела или отдельных органов. Порог эффекта зависит от органа или ткани. На приведенной выше схеме показано значение дозы 100 %-ной летальности (G Гр) и дозы СД5о, относящейся к здоровым людям при однородном облучении всего тела. Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся (дифференцирующихся) тканей некоторых органов (костный мозг, половые железы, селезенка и т.п.).

Причем стволовые и пролиферативные клетки, претерпевшие множество делений, наиболее радиочувствительны. Изменения на клеточном уровне, гибель клеток приводят к таким нарушениям в тканях, в функциях отдельных органов и в межорганных взаимосвязанных процессах организма, которые вызывают различные последствия для организма или гибель организма. Взаимодействие радиации с живым веществом происходит по физическим законам: возбуждаются и ионизируются атомы и молекулы, и происходят первичные радиохимические реакции. Ионизация атомов и молекул является лишь пусковым механизмом для развивающихся в дальнейшем в живом организме вторичных процессов, которые происходят уже по биологическим закономерностям. Для врача - радиолога именно вторичные поражения тканей и органов являются главными, потому что их распознавание доступно современной клинике. Эффективность биологического действия оценивается с точки зрения тяжести этих вторичных повреждений. Под влиянием облучения в клетках, тканях и организме в целом происходят дистрофические (истощающие) изменения вплоть до некроза, т.е. омертвления и гибели живого вещества. Обнаруживается угнетение и подавление функции клеток: ограничивается их подвижность, способность к росту и размножению, изменяется проницаемость клеточных мембран, перестраивается и дезорганизуется обмен веществ в ядре и протоплазме. В клетках повреждаются целые структуры - хромосомы ядра, ядрышка, микросомы, лизосомы и митохондрии, а также цитоплазма. Происходят грубые морфологические изменения - набухание клетки (отек), образование в ней вакуолей, пикноз ядра, его распад. При однократном облучении всего тела биологические нарушения в основном зависит от суммарной поглощенной дозы.При облучении дозами, в 100-500 раз превышающими смертельную дозу, человек погибает во время облучения. Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем и смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова - 20, нижняя часть живота - 30, верхняя часть живота - 50, грудная клетка - 100, конечности - 200 Р/ч. Ионизирующие излучения в соответствии со своей проникающей способностью вызывают биологические изменения в организме как при внешнем (источник находится вне организма), так и при внутреннем облучении (радиоактивные вещества попадают внутрь организма пероральным или ингаляционным путем). Радиоактивные вещества могут поступать в организм через органы дыхания, пищеварительный тракт и кожу.

При аварийных ситуациях и в чрезвычайной обстановке возможно проникновение радионуклидов через царапины, раны и ожоговую поверхность. Наиболее вероятным источником возможного поступления радиоактивных веществ в организм человека являются воздух, загрязненный радиоактивными газами и аэрозолями, а также продукты питания. Поэтому поступившие в воздух радиоактивные вещества в виде радиоактивных газов, пыли тумана или дыма легко осаждаются в органах дыхания. Поверхность легких (около 50 м2) является эффективным адсорбционным фильтром. При наличии во вдыхаемом воздухе радиоактивных веществ определенная часть остается в дыхательном тракте. Осаждение и локализация радиоактивных частиц в органах дыхания зависит от их размера, частоты дыхания и минутного объема. При этом осаждение происходит вследствие инерционного осаждения, под влиянием силы тяжести (седиментация) и диффузии количественной оценки отложенных радиоактивных аэрозольных частиц в дыхательном тракте применяется коэффициент отложения или задержки, характеризующий долю частиц, отложившихся на участках дыхательного пути. Осаждение радиоактивных частиц в органах приводит к облучению участков дыхательного тракта, легких и лимфатических узлов, а также последующему проникновению через кровяное русло в определенные органы и ткани. После отложения в верхних дыхательных путях, на слизистой трахеи бронхов радионуклиды с помощью мерцательного эпителия переводятся в глотку и ротовую полость, откуда поступают в желудок, а в дальнейшем ведут себя, как и при пероральном (через ротовую полость) поступлении. Инертные радиоактивные газы, попав через легкие в кровь удаляются из организма постепенно и полно. Все радиоактивные химические элементы и их соединения по скорости времени выведения из организма и, особенно, из легких разделены на три класса: Д-дни, Н-недели, Г-годы. Наиболее медленно, с периодом полувыведения более одного года, удаляются из легких радионуклиды меди, серебра, ш лота, цинка, кадмия, иттрия, актиния, циркония и другие. Часто критическим органом по облучаемости становятся легкие, и это обстоятельство учитывается при разработке норм предельно допустимого содержания радионуклидов в воздухе. Радиоактивные вещества поступают в организм также через кожные покровы. Имеются радионуклиды, которые проникают не только через всевозможные ссадины, порезы и наколы, но и через неповрежденную кожу. Проницаемость кожи для радиоактивных веществ зависит от агрегатного состояния радионуклидов, склонности их к гидролизу и комплексообразованию, кислотности раствора радионуклида и состояния кожного барьера. В результате механического удержания и физико-химических процессов радиоактивные вещества могут прочно фиксироваться на поверхности кожи.

Основное значение в механизме фиксации имеют: 1) адсорбция на поверхностных структурах кожи; 2) простое механическое осаждение, в основе которого лежат силы адгезии, электростатическое притяжение и другие физические силы сцепления; 3) химическое взаимодействие с биохимическими компонентами (хемосорбция, образование комплексных соединений, ионный обмен и т.п.). Барьерная функция кожи определяется роговым слоем эпидермиса, повреждение которого способствует беспрепятственному прохождению в подлежащие ткани активных веществ. Проникновение радиоактивных веществ также происходит через устья волосяных фолликулов, канальцы сальных и потовых желез. Предварительное воздействие на кожу, например обезжиривание, значительно увеличивает ее проницаемость, резко возрастает проницаемость при термических, химических или механических повреждениях. Необходимо также учитывать опасность прямого облучения базального слоя эпидермиса, который находится на глубине 80-1000 мкм и обладает высокой радиочувствительностью. Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся (дифференцирующихся) тканей некоторых органов (костный мозг, половые железы, селезенка и др.). При одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующий коэффициент и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Радиоактивные вещества, поступив в организм, всасываются в кровь и лимфу и разносятся по различным органам и тканям. Знание закономерностей распределения, особенностей обмена и депонирования радионуклидов, их перераспределение в организме имеет исключительно важное значение, гак как дает представление о преимущественном лучевом поражении тех или иных органов, позволяет понять механизм действия радионуклидов, установить критический орган, оценить величину его облучения и прогнозировать лучевое поражение, т.е. уровень риска. Распределение радиоактивных веществ в организме может быть различным. Радиоактивные и стабильные изотопы одного и того же элемента, обладая одинаковыми химическими и физическими свойствами, распределяются в организме однотипно. Однако, одни радионуклиды распределяются в организме равномерно по всем органам и тканям, другие же проявляют тропность (направленность) к определенным органам, в которых и накопительно откладываются. Орган с преимущественным накоплением радионуклида, подвергающийся наибольшей опасности вследствие значительного облучения, называется критическим органом.

Уровни накопления радионуклидов в критических органах в период установления равновесия в расчете на один килограмм массы критического органа имеют следующие величины кратности (указаны в скобках): щитовидная железа - иод-131 (164); скелет - стронций-90 (91), радий-226 (46), кальций-45 (13); печень - железо-55 (3,5), цинк-65 (1,3), америций-241 (1,4); почки - свинец-210 (21), бериллий-7 (6), платина-193 (3); мышцы - цезий-137 (2,6), рубидий-87 (1,7), калий-40 (1,4). Ориентиром для оценки суммарного содержания радионуклида в организме служит кратность накопления - отношение максимально накопленного количества элемента в организме или в органе к величине ежедневного поступления. Кратность накопления зависит от всасывания радионуклида в кровь и лимфу, скорости выведения из организма вследствие интенсивности обменных процессов и периода полураспада радионуклида. Характер распределения радионуклидов в организме не является неизменным и обусловлен их химическими свойствами, способностью образовывать коллоиды и легко гидролизоваться. Распределение радионуклидов в организме может изменяться в зависимости от исходного состояния центральной нервной системы, угнетение которой способствует накоплению, а возбуждение, наоборот, снижению содержания радионуклидов стронция-90 и кобальта-60 в организме и тканях. Все радионуклиды по характеру своего распределения делятся на четыре группы: 1) остеотропные - фосфор-32, кальций-45, стропций-90, барий-140, радий-226; 2) преимущественно накапливающиеся в органах с ретикулоэндотелиальной (сетчатой) тканью - торий-239, плутоний-239 (нитрат); 3) специфически участвующие в обмене веществ и избирательно накапливающиеся в отдельных органах и тканях: иод-131 - в щитовидной железе, железо-59 - в эритроцитах, цинк-65 - в поджелудочной железе, молибден-99 - в радужной оболочке глаза; 4) равномерно распределяющиеся по всем органам и тканям: калий-40, рубидий-86, ниобий-95, рутений-106, це-зий-137. Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или менее равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так, в костных тканях отлагаются источники альфа-излучений - радий, уран, плутоний; бета-излучений - стронций и иттрий; гамма-излучений - цирконий. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма. Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран). Элементы, образуемые в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма. Закономерности удержания и выведения радионуклидов из организма имеют специфические особенности - протекают с различными скоростями и зависят от многих факторов, а также от функционального состояния выделительных систем. Наибольшее количество радиоактивных веществ выводится через желудочно-кишечный тракт, особенно радионуклиды, которые плохо всасываются в пищеварительный тракт: трансурановые элементы, лантаноиды. Растворимые соединения радионуклидов хорошо выделяются через почки. Быстро выводятся из организма газообразные радионуклиды - водород-3, ксенон-133 и криптон-85. Основное количество радиоактивных газов выделяется через легкие и кожу. Радионуклиды иод-131 и цезий-137 выводятся также через потовые и слюнные железы. Радионуклиды, образующие коллоидные комплексы с белками, поступают в печень и выделяются с желчью в кишечник. Одним из основных органов выделения радиоактивных веществ из организма являются почки. Большинство растворимых радионуклидов выделяется через почки в течение первых суток после облучения. Радиоактивные аэрозоли, а также продукты распада радия и тория могут выделятся из организма через органы дыхания. Процессы экскреции (выделения) радиоактивных веществ из легких, кишечника, почек неразрывно связаны с явлением реабсорбции, величина которой для выделения радионуклидов может быть различной. Уменьшение содержания радиоактивного вещества в организме происходит не только вследствие его выведения, но и благодаря радиоактивному распаду, что особенно характерно для короткоживущих радионуклидов: иода-131, натрия-24, фосфора-32. Биологическое выведение и радиоактивный распад - это два независимых процесса. Время, в течение которого из организма выделяется половина однократно поступившего радионуклида, называется биологическим периодом полувыведения (Тб). Фактическая же убыль радионуклида в организме измеряется эффективным периодом полувыведения (Тэф). Это время, в течение которого организм освобождается от половины депонированного в нем радионуклида как путем биологического выведения, так и вследствие радиоактивного распада. Для долгоживущих радионуклидов Тэф в основном определяется биологическим выведением. Эффективный период полувыведения зависит от вида химического соединения радионуклида, особенностей его распределения, поступившего количества, функционального состоя пня органов, типа, пиво количества или концентрации (уровни) некоторых веществ, либо скорости (темпы) протекания физиологических процессов, в том числе - скорости биохимических реакций. Темпы этих процессов и уровни поддержания состава веществ в организме регулируются целой системой механизмов через определенные исполнительные органы. Например, окислительные процессы в тканях управляются целенаправленными изменениями дыхательного объема, жизненной емкости легких, объема резервного воздуха, глубины вдоха, частоты дыхания, ударного объема сердца, частоты сердечных сокращений, объемной скорости кровотока, величины сопротивления сосудов, количества гемоглобина в крови, величины кислородной емкости.

3. Обзор методов построения микропроцессорных систем

3.1 Общие сведения

Микропроцессор (МП) представляет собой функционально завершенное универсальное программно-управляемое устройство цифровой обработки данных, выполненное в виде одной или нескольких МП БИС.