Оценка мощности доз и ионизации внешнего радиоактивного облучения человека в 50-х годах прошлого столетия

© ШЕВЧЕНКО Е.В., КОРЖУЕВ А.В. - 2013 УДК: 521.1+531+531.5

ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ДОЗ И ИОНИЗАЦИИ ВНЕШНЕГО РАДИОАКТИВНОГО ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА В 50-Х ГОДАХ ПРОШЛОГО СТОЛЕТИЯ

Елена Викторовна Шевченко1, Андрей Вячеславович Коржуев2

Резюме. В статье обсуждаются сравнительные оценки плотностей ионизации и мощностей доз внешнего р- и у-излучений, подробно анализируются эти параметры для одного из источников у-облучения - космических лучей. Исторический обзор проблемы представлен на основе анализа и работ зарубежных авторов, отнесенных в основном к 50-м гг. прошлого века.

Ключевые слова: бета- и гамма-излучения, источники внешнего радиоактивного облучения организма человека, космические лучи, мощность дозы, ионизирующая способность радиоактивного излучения.

THE ESTIMATE OF INTENSITY OF DOSES AND IONIZATION OF EXTERNAL RADIOACTIVE IRRADIATION OF A MAN IN 50-TH YEARS OF LAST CENTURY

E.V. Shevchenko1, A. V. Korzhuev2

Summary. In the paper are discussed the comparative estimations of ionization densities and capacities of doses of p and y-radioactive radiations, these parameters are analyzed in details for one of sources of y-irradiation - cosmic rays. The historic view of the problem is presented on the base of the analysis and the works of foreign authors, referred to the 50-th years of the last century.

Key words: p and y-radiation, external radioactive radiation sources, cosmic rays, dosage rate, ionizing capacity of radioactive radiation.

Для медицины всегда был крайне актуален вопрос о предельно допустимых мощностях доз радиоактивного облучения. В 1928 г. Международная комиссия радиационной защиты рекомендовала установить в качестве предельно допустимой дозы профессионального облучения величину 200 мбэр/сутки, в 1936 г. в связи с появлением детальных исследований соотношения между дозами облучения в воздухе и на поверхности тела предельно допустимое облучение было снижено до 100 мбэр/сутки. В 1948 г. были опубликованы результаты статистического анализа относительной частоты злокачественного заболевания крови (лейкемии) врачей-рентгенологов (с приближенной оценкой дозы облучения) и врачей иных специальностей [1]. Эти данные показали, что смертность от лейкемии среди врачей-рентгенологов в десять раз выше, чем у других врачей. На основе этого исследования Национальный комитет США и Международная комиссия радиационной защиты установили в качестве предельно допустимой дозы профессионального облучения величину 50 мбэр/сутки (0,3 бэр/неделя). В 1958 г. в связи с возможностью оценки отдельных последствий облучения (преждевременного старения и укорочения продолжительности жизни) Международная комиссия радиационной защиты рекомендовала новое уменьшение максимальных уровней профессионального облучения в три раза (с 600 до 200 бэр за жизнь, что эквивалентно 0,1 бэр/неделя).

Таким образом, в результате новых научных открытий, улучшения средств диагностики лучевых заболеваний, увеличения срока работы с ионизирующими излучениями и возрастания масштаба таких работ, предельно допустимые уровни облучения за последние 30 лет были уменьшены в 12 раз. При этом, следует особо подчеркнуть, что нет никакой гарантии безопасности существующих предельно допустимых уровней облучения и поэтому возможно дальнейшее их уменьшение. Из изложенного вытекала порочность подхода к вопросу об установлении предельно допустимых уровней излучения и введения некоторого коэффициента запаса.

Подобная неопределенность понятия предельно допустимого уровня облучения и недостаточность накопленного к обсуждаемому моменту времени экспериментального материала привели к тому, что некоторые исследователи выступили с заявлениями о безусловной опасности для человека любых, даже самых малых уровней облучения ионизирующими излучениями. Этот вывод не может быть признан правильным, поскольку человечество развивалось в условиях хронического малоинтенсивного фонового облучения, т.е. облучения, которому человеческий организм подвергался в результате воздействия космических лучей и естественных радиоактивных веществ, находящихся в воздухе, воде, по-

чве и теле человека. С высокой степенью вероятности можно было предполагать, что доза, облучению которой человечество подвергалось непрерывно на протяжении десятков тысячелетий своего существования, является безопасной, так как в результате естественного отбора человечество смогло приспособиться к такому облучению.

В 1955 г. Ю.В. Сивинцевым впервые было предложено использовать удвоенную дозу фонового облучения человеческого организма в качестве опорной величины для расчета предельно допустимого содержания радиоактивных веществ в воздухе, воде и человеческом теле при непрофессиональном облучении [1]. Это положение было принято при выработке отечественных правил проектирования атомных электростанций и в обсуждаемый момент времени являлось основой расчета новых предельно допустимых концентраций. В предшествующие годы к этой же точки зрения пришли английские и американские исследователи методов обеспечения радиационной безопасности [1].

К обсуждаемому моменту времени в радиологии к источникам внешнего облучения человеческого организма отнесли: 1) космические лучи; 2) у-излучение радиоактивных веществ, содержащихся в почве; 3) у-излучение радиоактивных веществ, содержащихся в строительных материалах, и 4) у-излучение радиоактивных веществ, содержащихся в воздухе.

у-излучение изотопов, находящихся в почве, было нами рассмотрено в предшествующих статьях и в данной работе мы рассмотрим космическое излучение. Вначале следует кратко обсудить влияние внешнего облучения а- и р-излучений радиоактивных веществ, находящихся в окружающей человека среде. Однако а-частицы, имея ничтожно малый пробег в ткани (около 40 мкм ), полностью поглощаются в роговом слое кожи (толщина около 100 мкм), состоящем из отмерших клеток, и, следовательно, при внешнем облучении являются безопасным для человеческого организма.

р-облучение по своей величине и биологическому воздействию значительно меньше у-облучения теми же радиоактивными веществами. Доза р-облучения очень приближенно была рассчитана Гессом [4] и позднее Веллером [13]. По заниженным результатам первого расчета, в котором не принималось во внимание наличие в почве К40, ионизация над изверженными породами, вызванная у-лучами и р-частицами, составила соответственно 4,4 и 0,6 пар ионов/ см3 за сек. По данным более точного расчета Веллера, величина ионизации р-частицами в три раза больше у-ионизации на поверхности земли; на уровне 45 см от поверхности земли эти величины равны, а выше 1 м преобладает у-облучение. Результаты экспериментальных исследований Гесса и

О’Доннела [5] качественно согласуются с последним расчетом: по их данным, на уровне 1 м от земли р-ионизация составляет 0,47 пар ионов/см3 за сек, а у-ионизация - 3,21 пар ионов/см3 за сек, тогда как на расстоянии 3 см от земли эти величины равнялись 2,18 и 3,76 пар ионов/см3 за сек соответственно. Приведенные данные в соответствии с очевидными физическими соображениями иллюстрируют более быстрый в сравнении с у-квантами спад интенсивности р-излучения по мере удаления от почвы. Учитывая, что для р-частиц ткани человеческого тела являются поглощающим слоем бесконечной толщины, при расчете мощностей поглощенных доз на основе скорости ионообразования отмеченное различие может стать еще больше, что иллюстрировалось выводами некоторых исследований в этой области.

Наиболее обстоятельная работа по этому вопросу была опубликована в 1958 г. американскими исследователями О’Брайеном, Лоудером и Солоном [10]. Она включает в себя результаты расчетов мощностей доз р- и у-облучений от урана, тория и калия, равномерно распределенных в Земле. Эти величины были получены для различных высот в воздухе и на различных глубинах в тканях живого организма (для упрощения расчетов было предложено, что Земля заполняет собой полупространство, а человеческое тело как объект облучения может быть с достаточной степенью точности представлено водным цилиндром с радиусом 15 см). Принимая для у-излучения рабочие формулы, полученные О’Брайеном с сотрудниками [11], а для р-излучения - выражение Левингера [7] и учитывая близость эффективных атомных номеров и зарядов различных типов почв и алюминия для принятых энергий у-излучений [3], О’Брайен, Лоудер и Солон применили остроумную аппроксимацию геометрии расчетов для эксцентричных точек цилиндра. Главная ее идея состояла в том, чтобы принять во внимание для каждой рассматриваемой точки реальную массу окружающей ее ткани и таким образом правильно рассчитать фактор накопления многократно рассеянного у-излучения в модели человеческого тела. С этой целью было сделано предположение, что эксцентричные точки модели находятся между двумя полуцилиндрами, первый из которых имеет радиус г;, равный глубине залегания интересующей нас точки, а второй - радиус г2 - такой величины, что сумма площадей поперечных сечений обеих полуцилиндров составляет 225 см2. Очевидно, что такое приближение будет наиболее грубым для точки, лежащей на нулевой глубине. Численное интегрирование точного решения задачи для этого пограничного случая и потока у-квантов с энергией 1,5 МэВ показало, что такая аппроксимация занижает истинный результат всего на 4% и, таким образом, является вполне удовлетворительной.

Расчеты были выполнены для трех типов пород: изверженных и песчаника (тип А), осадочного известняка (тип Б) и основной породы (тип В), при использовании экспериментальных значений энергий у-спектров и средних энергий р-спектров, полученных при помощи следующей формулы [8,9]

Еср= 0,38Емакс.

Результаты расчетов [10], показали, что для всех трех типов спектров изменение мощности дозы у-излучения в зависимости от высоты оказалось идентичным. Для р-частиц кривые совпали для типов А и В, третья кривая (для типа Б) отличалась от первых двух не более, чем на 5%. Полученные данные свидетельствовали о том, что только на уровне почвы мощности дозы р- и у-облучений сравнимы. По мере удаления от земли доля р-частиц в суммарной дозе падает и на высоте 1,5 м составляет около 15-20% в зависимости от типа подстилающих пород. Значения, полученные О’Брайеном, Лоудером и Солоном, оказались ниже соответствующих экспериментальных значений, рассчитанных Гессом, Паркинсоном и Мирандой [6]. Возможно, что причина расхождения была связана со значительно более высокими концентрациями калия в обследованных типах почв и минералов, чем в моделях, рассмотренных О’Брайеном, Лоудером и Солоном.

В конце 50-х гг. в связи с обсуждением проблемы генетической опасности ионизирующих излучений было опубликовано несколько исследований, посвященных расчету дозы облучения гонад человека р-частицами и у-квантами, осевших на поверхности земли радиоактивных выпадений от ядерных испытаний. Обсудим основные результаты одно-

го из наиболее интересных расчетов этого типа.

В работе Даннинга [2] были сравнены мощности поглощенных доз, создаваемых в семенниках и яичниках человека у-квантами Сб137и р-частицами 8г90. В итоге обстоятельного расчета автор приходит к выводу, что мощность поглощенной дозы, создаваемой в гонадах р-излучением долгоживущего изотопа стронция, который находился в равновесии со своим дочерним продуктом У90, отличающимся высокоэнергичными р-частицами, может не приниматься во внимание в сравнении с дозой у-облучения, В значительной степени это связано с тем, что даже для высокоэнергичных р-частиц У90 ткани, экранирующие как семенники, так и тем более яичники человеческого организма, являются по существу бесконечно большими поглощающими слоями.

Таким образом, из расчетных и экспериментальных данных о мощности дозы у-облучения над почвами и породами различных типов следовало, что мощность дозы р-облучения по своей величине значительно меньше мощности дозы у-облучения, обусловленного теми же количествами радиоактивных веществ [12].

По данным Хултквиста [12], при оценке дозы фонового облучения внешнее р-облучение можно не учитывать, исходя из следующих факторов:

а) уровень ионизации в воздухе, создаваемой р-частицами, не выше у-облучения;

б) эффективный телесный угол для элемента кожи значительно меньше 2я;

в) в рекомендациях Международной комиссии радиационной защиты [1] кожа человека рассматривалась как ткань, относительно устойчивая к облучению;

г) органические вещества на поверхности земли, а также строительные облицовочные материалы полностью поглощают р-излучение и, как правило, обладают значительно более низкой удельной активностью, чем минеральные вещества.

Перейдем далее к обсуждению радиационного эффекта космических лучей.

Первичное космическое излучение, падающее на верхние слои земной атмосферы, представляет собой поток ядерных частиц исключительно высокой энергии (до 1019 эВ). Помимо протонов, являющихся основной частью (79%) суммарного числа частиц, первичный компонент включает 20% а-частиц, 0,78% ядер углерода, азота и кислорода и 0,22% ядер, заряд которых превышает 10 единиц. В результате ядерно-каскадных процессов взаимодействия с веществом земной атмосферы первичное космическое излучение теряет свою энергию и дает начало тоже высокоэнергичному вторичному излучению, состоящему из электронов, фотонов, нейтронов и мезонов. По мере углубления в толщу атмосферы относительные количества первичного и вторичного космических излучений изменяются: первичное непрерывно ослабляется, а вторичное сначала достигает максимальной интенсивности на высотах порядка 30-20 км, после чего для потоков и этих частиц процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения. На уровне моря первичное излучение составляет всего 0,05% от суммарного числа частиц. В основном (около 80%) космические лучи состоят здесь из мезонов (так называемый «жесткий» компонент), остальные 20% составляет «мягкий» компонент космических лучей (средний массовый коэффициент поглощения равен 8,5-10-3см2/г) из малоэнергичных электронов [1].

Содержащиеся в работах данные свидетельствовали о том, что результаты измерений ионизации, обусловленной космическими лучами, на уровне моря были крайне противоречивы и давали значения в диапазоне от 1 до 2,5 пар ионов/ см3 за сек. Опираясь на последнее значение и учитывая, что дозе 1Р соответствует ионизация в воздухе, равная 2,06-109 пар ионов, или энерговыделение 93,4 эрг в 1 г воды, тогда как 1 рад = 100 эрг/г воды, получаем для мощности дозы 37 мрад/ год. Это значение было приведено, в частности, в работах Либби [1] в качестве верхнего предела дозы, обусловленной космическими лучами на уровне моря. Однако в результате более тщательных измерений ионизации космическими лучами в свободном воздухе, выполненных Берчем [1] при помощи ионизационных камер высокого давления, была получена величина 1,94 пар ионов/см3 за сек, которую считали в обсуждаемый нами период времени наиболее точной. Такой ионизации соответствует поглощенная доза, равная примерно 79 мрад/день = 0,53 мрад/неделя.

Как стало известно, интенсивность космического излучения на уровне моря непостоянна, так как зависела от атмосферного давления, геомагнитной широты и количества солнечных пятен.

Зависимость интенсивности космического излучения от атмосферного давления эквивалентна изменению способности этих лучей к ионообразованию как функции глубины погружения в атмосферу. Данные, приведенные в цитированных статьях, свидетельствовали о резкой зависимости дозы облучения от глубины погружения в атмосферу, вынуждали автора вести дальнейшее рассмотрение для той или иной конкретной высоты. Из данных, которые можно рассматривать как максимальные оценки, следует в частности, что подъем на высоту до 3000 м увеличивает дозу облучения космическими лучами почти в три раза. В то же время изменение широты играет незначительную роль, и переход с экватора в умеренные широты вызывает возрастание дозы лишь на 50%. Было также выявлено, что изменения интенсивности космических лучей, обусловленные солнечными пятнами, не превышают 12%, наблюдаются редко и являются кратковременными, т.е. мало влияют на среднюю дозу.

Поскольку для подавляющей массы практически важных расчетов мощности дозы фонового облучения рассмотрению подвергается индивид на уровне моря и в виду того, что другие факторы, влияющие на фоновое облучение человеческого организма, подвержены большим колебаниям и были определены с меньшей точностью, упомянутые изменения интенсивности космического излучения могли не прини-

маться во внимание при оценке дозы фонового облучения организма.

Учитывая высокую степень «жесткости» космических лучей и слабое поглощение их в воде, которую можно принять за хороший эквивалент человеческой ткани по поглощающим свойствам, приведенную мощность поглощенной дозы можно было считать применимой ко всему человеческому организму.

Для определения коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ), позволяющего выполнить переход от физического эквивалента рентгена (фэр) к его биологическому эквиваленту (бэр), авторам следовало бы рассмотреть каждый компонент космического излучения на уровне моря в отдельности с точки зрения удельной ионизации, которую производят составляющие ее частицы. Однако, видимо, учитывая, что доля космического излучения в общей дозе фонового облучения на уровне моря мала, они ограничились грубой оценкой.

Удельная ионизация для частиц космического излучения на уровне моря имела тот же порядок величины, что и для обычного у-излучения. Исходя из этого, в первом приближении можно было считать, что для космических лучей коэффициент относительной биологической эффективности равна 1, а величина мощности дозы облучения ~ 0,53 мбэр/нед.

Эта величина, как показали дальнейшие исследования, являлась достаточно адекватной оценкой мощности дозы космического излучения - последующие работы не внесли в нее существенных изменений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сивинцев Ю.В. Фоновое облучение человеческого организма. - М.: Атомиздат, 1960.

2. Dunning G.M. External ß-doses from radioactive fallout // Health Physics. - 1959. - Vol. 1. - P.379-389.

3. Henriksen T., Baarli J. The effective atomic number // Radiation Res. - 1957. - Vol. 6. - P.415-423.

4. Hess V.F. Die Ionizierungsbilanz der Atmosphare // Ergebnisse der Kosmischen Physik. - 1933. - №2. - P.95-152.

5. Hess V.F., O’Donnel G.A. On the rate of ion formation at ground and at one meter above ground // J. Geophys. Ress. - 1951.

- Vol. 56. - P.557-562.

6. Hess V.F., Parkinson W.D., Miranda H.A. Beta-ray ionization from the ground // Fordham University, Department of Physics, Scientific Report. - 1953. - №4. - P.

7. Loevinger R. The dosimetry of beta-radiation // Radiology.

- 1954. - Vol. 62. - P.74-81.

8. LoevingerR. Average energy of allowed beta-particle spectra // Phys. In Med. Biol. - 1957. - Vol. 1. - P.330-339.

9. Marinelli L.D., Brinckerhoff R.F., Hine G.J. Average energy of allowed beta-particle spectra emitted by radioactive isotopes // Revs. Mod. Phys. - 1974. - Vol. 19. - P.25-28.

10. O’Brien K., Lowder W.M., Solon L.R. Beta- and gammadose rates from terrestrially distributed sources // Radiation Ress.

- 1958. - Vol. 9. - P.216-221.

11. O’Brien K., Lowder W.M., Solon L.R. A semi-empirical method of calculating the energy - absorption buildup factor with an application to a uniformly contaminated space having spherical boundaries - HASL-2, 1957 // Nucl. Sci. and Eng. - 1958. - Vol.

3. - P.77-84.

12. Sievert R.M., Hultqvist B. Some Swedish isvestigation of the radioactivity of the human body // Brit. J. Radiol. - 1957. -№7, Suppl. - P.1-12.

13. Weller R.I. The intensity of beta ray ionization of potassium, uranium and thorium // J. Atmos. And Terr. Phys. - 1954. - Vol.

5. - P.1-10.

REFERENCES

1. Svintsev Y.V. Background of the human body irradiation. -Moscow: Atomizdat, 1960. (in Russian).

2. Dunning G.M. External ß-doses from radioactive fallout // Health Physics. - 1959. - Vol. 1. - P.379-389.

3. Henriksen T., Baarli J. The effective atomic number // Radiation Res. - 1957. - Vol. 6. - P.415-423.

4. Hess V.F. Die Ionizierungsbilanz der Atmosphare // Ergebnisse der Kosmischen Physik. - 1933. - №2. - P.95-152.

5. Hess V.F., O’Donnel G.A. On the rate of ion formation at ground and at one meter above ground // J. Geophys. Ress. - 1951.

- Vol. 56. - P.557-562.

6. Hess V.F., Parkinson W.D., Miranda H.A. Beta-ray ionization from the ground // Fordham University, Department of Physics, Scientific Report. - 1953. - №4. - P.

7. Loevinger R. The dosimetry of beta-radiation // Radiology.

- 1954. - Vol. 62. - P.74-81.

8. LoevingerR. Average energy of allowed beta-particle spectra

// Phys. In Med. Biol. - 1957. - Vol. 1. - P.330-339.

9. Marinelli L.D., Brinckerhoff R.F., Hine G.J. Average energy of allowed beta-particle spectra emitted by radioactive isotopes // Revs. Mod. Phys. - 1974. - Vol. 19. - P.25-28.

10. O’Brien K., Lowder W.M., Solon L.R. Beta- and gammadose rates from terrestrially distributed sources // Radiation Ress.

- 1958. - Vol. 9. - P.216-221.

11. O’Brien K., Lowder W.M., Solon L.R. A semi-empirical method of calculating the energy - absorption buildup factor with an application to a uniformly contaminated space having spherical boundaries - HASL-2, 1957 // Nucl. Sci. and Eng. - 1958. - Vol.

3. - P.77-84.

12. Sievert R.M., Hultqvist B. Some Swedish isvestigation of the radioactivity of the human body // Brit. J. Radiol. - 1957. -№7, Suppl. - P.1-12.

13. Weller R.I. The intensity of beta ray ionization of potassium, uranium and thorium // J. Atmos. And Terr. Phys. - 1954. - Vol.

5. - P.1-10.

Информация об авторах:

Шевченко Елена Викторовна - заведующий кафедрой, д.б.н., профессор, 664003, Иркутск, ул. Красного Восстания, 1;

Коржуев Андрей Вячеславович - профессор кафедры, д.п.н.

Information About the Authors:

Shevchenko Elena - Head of Department, Ph.D., professor, 664003, Irkutsk, Krassnogo Vosstania st., 1;

Korzhuev Andrew V. - Professor, Ph.D.