Источники рентгеновского излучения. Является ли рентгеновская трубка источником ионизирующего излучения?

На протяжении всей истории жизни на Земле организмы постоянно подвергались воздействию космических лучей и образованных ими в атмосфере радионуклидов, а также радиации повсеместно встречающихся в природе веществ. Современная жизнь подстроилась под все особенности и ограничения окружающей среды, в том числе под естественные источники рентгеновского излучения.

Несмотря на то что высокий уровень радиации, безусловно, вреден для организмов, некоторые виды радиоактивного излучения имеют важное значение для жизни. Например, радиационный фон способствовал фундаментальным процессам химической и биологической эволюции. Также очевидным является факт, что тепло ядра Земли обеспечивается и поддерживается за счет тепла распада первичных, природных радионуклидов.

Космические лучи

Излучение внеземного происхождения, которое непрерывно бомбардирует Землю, называется космическим.

Тот факт, что эта проникающая радиация попадает на нашу планету из космоса, а не земного происхождения, был обнаружен в экспериментах по измерению ионизации на различных высотах, от уровня моря до 9000 м. Было установлено, что интенсивность ионизирующего излучения снижалась до высоты 700 м, а дальше с набором высоты быстро увеличилась. Первоначальное снижение можно объяснить уменьшением интенсивности земных гамма-лучей, а увеличение – действием космических.

Источники рентгеновского излучения в космосе следующие:

• группы галактик;
• сейфертовские галактики;
• Солнце;
• звезды;
• квазары;
• черные дыры;
• остатки сверхновых;
• белые карлики;
• темные звезды и др.

Свидетельством такого излучения, например, является увеличение интенсивности космических лучей, наблюдаемое на Земле после вспышек на Солнце. Но наше светило не вносит основной вклад в общий поток, так как его суточные вариации очень малы.

Два типа лучей

Космические лучи делят на первичные и вторичные. Излучение, не взаимодействовавшее с веществом в атмосфере, литосфере или гидросфере Земли, называется первичным. Оно состоит из протонов (≈ 85%) и альфа-частиц (≈ 14%), с гораздо меньшими потоками (< 1%) более тяжелых ядер. Вторичные космические рентгеновские лучи, источники излучения которых – первичное излучение и атмосфера, состоят из субатомных частиц, таких как пионы, мюоны и электроны. На уровне моря почти вся наблюдаемая радиация состоит из вторичных космических лучей, 68% которых приходится на мюоны и 30% – на электроны. Менее 1% потока на уровне моря состоит из протонов.

Первичные космические лучи, как правило, обладают огромной кинетической энергией. Они положительно заряжены и получают энергию за счет ускорения в магнитных полях. В вакууме космического пространства заряженные частицы могут долго существовать и путешествовать миллионы световых лет. Во время этого полета они приобретают высокую кинетическую энергию, порядка 2–30 ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ эВ). Отдельные частицы обладают энергиями до 10¹⁰ ГэВ.

Высокие энергии первичных космических лучей позволяют им при столкновении буквально раскалывать атомы в земной атмосфере. Наряду с нейтронами, протонами и субатомными частицами могут образовываться легкие элементы, такие как водород, гелий и бериллий. Мюоны всегда заряжены, а также быстро распадаются на электроны или позитроны.

Магнитный щит

Интенсивность космических лучей с подъемом резко возрастает до достижения максимума на высоте около 20 км. От 20 км до границы атмосферы (до 50 км) интенсивность уменьшается.

Эта закономерность объясняется увеличением производства вторичного излучения в результате увеличения плотности воздуха. На высоте 20 км большая часть первичной радиации уже вступила во взаимодействие, а уменьшение интенсивности с 20 км до уровня моря отражает поглощение вторичных лучей атмосферой, что эквивалентно примерно 10-метровому слою воды.

Интенсивность излучения также связана с широтой. На одной высоте космический поток увеличивается от экватора до широты 50–60° и остается постоянным до полюсов. Это объясняется формой магнитного поля Земли и распределением энергии первичного излучения. Магнитные силовые линии, выходящие за пределы атмосферы, как правило, параллельны земной поверхности на экваторе и перпендикулярны на полюсах. Заряженные частицы легко движутся вдоль линий магнитного поля, но с трудом преодолевают его в поперечном направлении. От полюсов до 60°, практически все первичное излучение достигает атмосферы Земли, а на экваторе только частицы с энергиями, превышающими 15 ГэВ, могут проникнуть через магнитный экран.

Вторичные источники рентгеновского излучения

В результате взаимодействия космических лучей с материей непрерывно производится значительное количество радионуклидов. Большая их часть является фрагментами, но некоторые из них образуются путем активации стабильных атомов нейтронами или мюонами. Естественное производство радионуклидов в атмосфере соответствует интенсивности космического излучения по высоте и широте. Около 70% их возникает в стратосфере, а 30% – в тропосфере.

За исключением Н-3 и С-14, радионуклиды обычно находятся в очень малых концентрациях. Тритий разбавляется и смешивается с водой и Н-2, а С-14 соединяется с кислородом с образованием СО₂, который смешивается с углекислым газом атмосферы. Углерод-14 проникает в растения в процессе фотосинтеза.

Излучение Земли

Из многих радионуклидов, которые сформировались с Землей, лишь немногие имеют период полураспада, достаточно длительный, чтобы объяснить их текущее существование. Если наша планета образовалась около 6 млрд лет назад, то им, чтобы остаться в измеримых количествах, потребовался бы период полураспада по меньшей мере в 100 млн лет. Из первичных радионуклидов, которые до сих пор обнаруживаются, три имеют наибольшее значение. Источником рентгеновского излучения является К-40, U-238 и Th-232. Уран и торий каждый образуют цепочку продуктов распада, которые почти всегда находятся в присутствии исходного изотопа. Хотя многие из дочерних радионуклидов недолговечны, они распространены в окружающей среде, поскольку постоянно образуются из долгоживущих исходных веществ.

Другие изначальные долгоживущие источники рентгеновского излучения, кратко говоря, находятся в очень низких концентрациях. Это Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176 и т. д. Встречающиеся в природе нейтроны образуют многие другие радионуклиды, но их концентрация, как правило, очень низка. В карьере Окло в Габоне, Африка, расположено свидетельство существования «естественного реактора», в котором происходили ядерные реакции. Обеднение U-235 и наличие продуктов деления в пределах богатого месторождения урана, показывают, что около 2 миллиардов лет назад здесь проходила спонтанно вызванная цепная реакция.

Несмотря на то что изначальные радионуклиды вездесущи, их концентрация зависит от места расположения. Основным резервуаром естественной радиоактивности является литосфера. Кроме того, в пределах литосферы она значительно изменяется. Иногда это связано с определенными типами соединений и полезными ископаемыми, иногда – сугубо регионально, с небольшой корреляцией с типами горных пород и минералов.

Распределение первичных радионуклидов и их дочерних продуктов распада в естественных экосистемах зависит от многих факторов, в том числе от химических свойств нуклидов, физических факторов экосистемы, а также физиологических и экологических атрибутов флоры и фауны. Выветривание горных пород, основного их резервуара, поставляет в почву U, Th и K. Продукты распада Th и U также принимают участие в этой передаче. Из почвы K, Ra, немного U и совсем мало Th усваиваются растениями. Они используют калий-40 так же, как и стабильный К. Радий, продукт распада U-238, используется растением, не потому, что он является изотопом, а так как он химически близок к кальцию. Поглощение урана и тория растениями, как правило, незначительное, поскольку эти радионуклиды обычно нерастворимы.

Радон

Наиболее важным из всех источников природной радиации является элемент без вкуса и запаха, невидимый газ, который в 8 раз тяжелее воздуха, радон. Он состоит из двух основных изотопов - радона-222, одного из продуктов распада U-238, и радона-220, образуемого при распаде Th-232.

Горные породы, почва, растения, животные испускают радон в атмосферу. Газ является продуктом распада радия и производится в любом материале, который его содержит. Поскольку радон – инертный газ, он может выделяться поверхностями, контактирующими с атмосферой. Количество радона, который исходит из данной массы породы, зависит от количества радия и площади поверхности. Чем мельче порода, тем больше радона она может освободить. Концентрация Rn в воздухе рядом с радийсодержащими материалами также зависит от скорости движения воздуха. В подвалах, пещерах и шахтах, которые имеют плохую циркуляцию воздуха, концентрации радона могут достигать значительных уровней.

Rn достаточно быстро распадается и образует ряд дочерних радионуклидов. После образования в атмосфере продукты распада радона соединяются с мелкими частицами пыли, которая оседает на почву и растения, а также вдыхается животными. Дожди особенно эффективно очищают воздух от радиоактивных элементов, но соударение и оседание частиц аэрозоля также способствует их осаждению.

В умеренном климате концентрация радона в помещении в среднем примерно в 5–10 раз выше, чем на открытом воздухе.

За последние несколько десятилетий человек «искусственно» произвел несколько сотен радионуклидов, сопутствующее рентгеновское излучение, источники, свойства, применение которых используются в медицине, военном деле, производстве энергии, приборостроении и для разведки полезных ископаемых.

Индивидуальное действие техногенных источников радиации сильно различается. Большинство людей получает относительно небольшую дозу искусственной радиации, но некоторые – во много тысяч раз превышающую излучение природных источников. Техногенные источники лучше контролируются, чем естественные.

Источники рентгеновского излучения в медицине

В промышленности и медицине используют, как правило, только чистые радионуклиды, что упрощает выявление путей утечки из мест хранения и процесс утилизации.

Применение радиации в медицине широко распространено и потенциально может иметь значительное воздействие. К ней относят источники рентгеновского излучения, используемые в медицине для:

• диагностики;
• терапии;
• аналитических процедур;
• кардиостимуляции.

Для диагностики используют как закрытые источники, так и большое разнообразие радиоактивных индикаторов. Медицинские учреждения, как правило, различают эти применения как радиологию и ядерную медицину.

Является ли рентгеновская трубка источником ионизирующего излучения? Компьютерная томография и флюорография – хорошо известные диагностические процедуры, которые производятся с ее помощью. Кроме того, в медицинской рентгенографии существует множество применений изотопных источников, включая гамма- и бета-, и экспериментальные источники нейтронов для случаев, когда рентгеновские аппараты неудобны, неуместны или могут быть опасны. С точки зрения экологии рентгенографическое излучение не представляет опасности до тех пор, пока его источники остаются подотчетными и утилизируются должным образом. В этом отношении история радиевых элементов, радоновых игл и радийсодержащих люминесцентных соединений не обнадеживает.

Обычно используются источники рентгеновского излучения на основе ⁹⁰Sr или ¹⁴⁷ Pm. Появление ²⁵²Cf в качестве портативного генератора нейтронов сделало нейтронную радиографию широкодоступной, хотя в целом этот метод по-прежнему сильно зависит от наличия ядерных реакторов.

Ядерная медицина

Основную опасность воздействия на окружающую среду представляют радиоизотопные метки в ядерной медицине и источники рентгеновского излучения. Примеры нежелательного влияния следующие:

• облучение пациента;
• облучение персонала больницы;
• облучение при транспортировке радиоактивных фармацевтических препаратов;
• воздействие в процессе производства;
• воздействие радиоактивных отходов.

В последние годы наблюдается тенденция к сокращению облучения пациентов за счет внедрения короткоживущих изотопов более узконаправленного действия и использование более высоколокализованных препаратов.

Меньший период полураспада уменьшает влияние радиоактивных отходов, так как большая часть долгоживущих элементов выводится через почки.

По-видимому, воздействие на окружающую среду через канализацию не зависит от того, находится пациент в стационаре или лечится амбулаторно. Хотя большая часть выделяемых радиоактивных элементов, вероятно, будет кратковременной, совокупный эффект значительно превышает уровень загрязнения всех атомных электростанций вместе взятых.

Наиболее часто используемые в медицине радионуклиды – источники рентгеновского излучения:

• ^99mTc – сканирование черепа и мозга, церебральное сканирование крови, сканирование сердца, печени, легких, щитовидной железы, плацентарная локализация;
• ¹³¹I – кровь, сканирование печени, плацентарная локализация, сканирование и лечение щитовидной железы;
• ⁵¹Cr – определение продолжительности существования красных клеток крови или секвестрация, объем крови;
• ⁵⁷Со – проба Шиллинга;
• ³²P – метастазы в костной ткани.

Широкое применение процедур радиоиммуноанализа, радиационного анализа мочи и других методов исследования с использованием меченых органических соединений значительно повысило использование жидкостно-сцинтилляционных препаратов. Органические растворы фосфора, как правило, на основе толуола или ксилола, составляют довольно большой объем жидких органических отходов, которые должны быть утилизированы. Переработка в жидкой форме является потенциально опасной и экологически неприемлемой. По этой причине предпочтение отдается сжиганию отходов.

Так как долгоживущие ³Н или ¹⁴С легко растворяются в окружающей среде, их воздействие находится в пределах нормы. Но совокупный эффект может быть значительным.

Еще одно медицинское применение радионуклидов – использование плутониевых батарей для питания кардиостимуляторов. Тысячи людей живы сегодня благодаря тому, что эти устройства помогают функционировать их сердцам. Герметичные источники ²³⁸Pu (150 ГБк) хирургическим путем имплантируют пациентам.

Промышленное рентгеновское излучение: источники, свойства, применение

Медицина – не единственная область, в которой нашла применение данная часть электромагнитного спектра. Значительной составной частью техногенной радиационной обстановки являются используемые в промышленности радиоизотопы и источники рентгеновского излучения. Примеры такого применения:

• промышленная радиография;
• измерение радиации;
• детекторы дыма;
• самосветящиеся материалы;
• рентгеновская кристаллография;
• сканеры для досмотра багажа и ручной клади;
• рентгеновские лазеры;
• синхротроны;
• циклотроны.

Поскольку большинство из этих применений влечет за собой использование инкапсулированных изотопов, радиационное облучение происходит во время транспортировки, передачи, технического обслуживания и утилизации.

Является ли рентгеновская трубка источником ионизирующего излучения в промышленности? Да, ее используют в системах неразрушающего контроля аэропортов, в исследованиях кристаллов, материалов и структур, промышленного контроля. За последние десятилетия дозы радиационного облучения в науке и промышленности достигли половины значения этого показателя в медицине; следовательно, вклад существенный.

Инкапсулированные источники рентгеновского излучения сами по себе оказывают незначительное воздействие. Но их транспортировка и утилизация вызывают тревогу, когда их теряют или по ошибке выбрасывают на свалку. Такие источники рентгеновского излучения, как правило, поставляются и устанавливаются в виде дважды герметизированных дисков или цилиндров. Капсулы делают из нержавеющей стали и требуют периодической проверки на утечку. Их утилизация может представлять проблему. Короткоживущие источники могут сберегаться и разлагаться, но даже в этом случае они должны быть должным образом учтены, а остаточный активный материал должен быть утилизирован в лицензированном учреждении. В противном случае капсулы должны направляться в специализированные учреждения. Их мощность определяет материал и размер активной части источника рентгеновского излучения.

Места хранения источников рентгеновского излучения

Растущей проблемой является безопасный вывод из эксплуатации и дезактивация промышленных площадок, на которых радиоактивные материалы хранились в прошлом. В основном это ранее построенные предприятия по переработке ядерных материалов, но необходимо участие и других отраслей промышленности, таких как заводы по производству самосветящихся тритийсодержащих знаков.

Особую проблему составляют долгоживущие источники низкого уровня, которые широко распространены. Например, ²⁴¹Am используется в детекторах дыма. Помимо радона, это основные источники рентгеновского излучения в быту. Индивидуально они не представляют никакой опасности, но значительное их количество может представлять проблему в будущем.

Ядерные взрывы

В течение последних 50 лет каждый подвергся действию излучения от радиоактивных осадков, вызванных испытаниями ядерного оружия. Их пик пришелся на 1954–1958 и 1961–1962 годы.

В 1963 г. три страны (СССР, США и Великобритания) подписали договор о частичном запрещении ядерных испытаний в атмосфере, океане и космическом пространстве. В течение следующих двух десятилетий Франция и Китай провели серию гораздо меньших испытаний, которые прекратились в 1980 г. Подземные испытания все еще проводятся, но они, как правило, не вызывают осадков.

Радиоактивные загрязнения после атмосферных испытаний опадают вблизи места взрыва. Частично они остаются в тропосфере и разносятся ветром по всему миру на той же широте. По мере движения они падают на землю, оставаясь около месяца в воздухе. Но большая часть выталкивается в стратосферу, где загрязнения остаются многие месяцы, и медленно опускаются по всей планете.

Радиоактивные осадки включают несколько сот разных радионуклидов, но лишь немногие из них способны воздействовать на организм человека, так, их размер очень мал, а распад происходит быстро. Наиболее значимыми являются C-14, Cs-137, Zr-95 и Sr-90.

Zr-95 имеет период полураспада 64 дня, а Cs-137 и Sr-90 – около 30 лет. Только углерод-14 с периодом полураспада 5730 года будет оставаться активным в далеком будущем.

Атомная энергия

Атомная энергетика является наиболее спорной из всех антропогенных источников излучения, но она оказывает очень малый вклад в воздействие на здоровье человека. При нормальной работе ядерные объекты выделяют в окружающую среду незначительное количество радиации. На февраль 2016 года насчитывалось 442 гражданских действующих атомных реактора в 31 стране и еще 66 находилось в стадии строительства. Это лишь часть цикла производства ядерного топлива. Начинается он с добычи и измельчения урановой руды и продолжается изготовлением ядерного топлива. После использования на электростанциях топливные элементы иногда перерабатываются для восстановления урана и плутония. В конце концов, цикл завершается утилизацией ядерных отходов. На каждом этапе этого цикла возможна утечка радиоактивных материалов.

Около половины объемов мировой добычи урановой руды поступает из открытых карьеров, другая половина – из шахт. Затем она измельчается на близлежащих дробилках, которые производят большое количество отходов – сотни миллионов тонн. Эти отходы остаются радиоактивными миллионы лет после того, как предприятие прекратит свою работу, хотя радиационное излучение составляет очень малую долю естественного фона.

После этого уран превращается в топливо путем дальнейшей обработки и очистки на обогатительных комбинатах. Эти процессы приводят к воздушному и водному загрязнению, но они намного меньше, чем на других этапах топливного цикла.