Počas celej histórie života na Zemi boli organizmy neustále vystavované kozmickému žiareniu a ním vytvoreným rádionuklidom v atmosfére, ako aj žiareniu látok všadeprítomných v prírode. Moderný život sa prispôsobil všetkým vlastnostiam a obmedzeniam prostredia, vrátane prirodzených zdrojov röntgenového žiarenia.
Hoci vysoká úroveň žiarenia je určite škodlivá pre organizmy, určité typy žiarenia sú pre život nevyhnutné. Napríklad radiačné pozadie prispelo k základným procesom chemickej a biologickej evolúcie. Zrejmý je aj fakt, že teplo zemského jadra je dodávané a udržiavané rozpadovým teplom primárnych, prírodných rádionuklidov.
Kozmické žiarenie
Žiarenie mimozemského pôvodu, ktoré nepretržite bombarduje Zem, sa nazývapriestor.
Skutočnosť, že toto prenikajúce žiarenie dopadá na našu planétu z vesmíru, a nie zo Zeme, bola objavená v experimentoch na meranie ionizácie v rôznych výškach, od hladiny mora až po 9000 m. Zistilo sa, že intenzita ionizujúceho žiarenia klesol až do výšky 700 m a potom prudko stúpal so stúpaním. Počiatočný pokles možno vysvetliť znížením intenzity zemského žiarenia gama a zvýšením pôsobením kozmického žiarenia.
Röntgenové zdroje vo vesmíre sú nasledovné:
- skupiny galaxií;
- Seyfertove galaxie;
- Slnko;
- hviezdy;
- kvasary;
- čierne diery;
- zvyšky supernovy;
- bieli trpaslíci;
- tmavé hviezdy atď.
Dôkazom takéhoto žiarenia je napríklad zvýšenie intenzity kozmického žiarenia pozorovaného na Zemi po slnečných erupciách. Naša hviezda však netvorí hlavný príspevok k celkovému toku, pretože jej denné odchýlky sú veľmi malé.
Dva typy lúčov
Kozmické žiarenie sa delí na primárne a sekundárne. Žiarenie, ktoré neinteraguje s hmotou v atmosfére, litosfére alebo hydrosfére Zeme, sa nazýva primárne. Pozostáva z protónov (≈ 85 %) a alfa častíc (≈ 14 %), s oveľa menšími tokmi (< 1 %) ťažších jadier. Sekundárne kozmické röntgenové lúče, ktorých zdrojmi žiarenia sú primárne žiarenie a atmosféra, sú zložené zo subatomárnych častíc, ako sú pióny, mióny aelektróny. Na hladine mora takmer všetko pozorované žiarenie pozostáva zo sekundárneho kozmického žiarenia, z ktorého 68 % tvoria mióny a 30 % elektróny. Menej ako 1 % toku na hladine mora tvoria protóny.
Primárne kozmické žiarenie má spravidla obrovskú kinetickú energiu. Sú kladne nabité a energiu získavajú zrýchlením v magnetických poliach. Vo vesmírnom vákuu môžu nabité častice existovať dlhú dobu a cestovať milióny svetelných rokov. Počas tohto letu získavajú vysokú kinetickú energiu, rádovo 2–30 GeV (1 GeV=109 eV). Jednotlivé častice majú energie do 1010 GeV.
Vysoké energie primárneho kozmického žiarenia im umožňujú doslova štiepiť atómy v zemskej atmosfére, keď sa zrazia. Spolu s neutrónmi, protónmi a subatomárnymi časticami môžu vzniknúť ľahké prvky ako vodík, hélium a berýlium. Mióny sú vždy nabité a tiež sa rýchlo rozpadajú na elektróny alebo pozitróny.
Magnetický štít
Intenzita kozmického žiarenia sa stúpaním prudko zvyšuje, až kým nedosiahne maximum vo výške asi 20 km. Od 20 km po hranicu atmosféry (do 50 km) intenzita klesá.
Tento model sa vysvetľuje zvýšením produkcie sekundárneho žiarenia v dôsledku zvýšenia hustoty vzduchu. Vo výške 20 km už väčšina primárneho žiarenia vstúpila do interakcie a pokles intenzity z 20 km na hladinu mora odráža absorpciu sekundárnych lúčov.atmosféry, čo zodpovedá približne 10 metrom vody.
Intenzita žiarenia súvisí aj so zemepisnou šírkou. V rovnakej výške sa kozmické prúdenie zvyšuje od rovníka k zemepisnej šírke 50–60° a zostáva konštantné až k pólom. Vysvetľuje sa to tvarom magnetického poľa Zeme a rozložením energie primárneho žiarenia. Magnetické siločiary, ktoré presahujú atmosféru, sú zvyčajne rovnobežné so zemským povrchom na rovníku a kolmé na póloch. Nabité častice sa ľahko pohybujú pozdĺž čiar magnetického poľa, ale v priečnom smere ho len ťažko prekonávajú. Od pólov po 60° sa prakticky všetko primárne žiarenie dostane do zemskej atmosféry a na rovníku môžu magnetickým štítom preniknúť iba častice s energiami presahujúcimi 15 GeV.
Sekundárne röntgenové zdroje
V dôsledku interakcie kozmického žiarenia s hmotou neustále vzniká značné množstvo rádionuklidov. Väčšina z nich sú fragmenty, ale niektoré z nich vznikajú aktiváciou stabilných atómov neutrónmi alebo miónmi. Prirodzená produkcia rádionuklidov v atmosfére zodpovedá intenzite kozmického žiarenia vo výške a zemepisnej šírke. Asi 70 % z nich pochádza zo stratosféry a 30 % z troposféry.
S výnimkou H-3 a C-14 sa rádionuklidy zvyčajne nachádzajú vo veľmi nízkych koncentráciách. Trícium sa zriedi a zmieša s vodou a H-2 a C-14 sa spojí s kyslíkom za vzniku CO2, ktorý sa zmiešava s atmosférickým oxidom uhličitým. Uhlík-14 vstupuje do rastlín prostredníctvom fotosyntézy.
Žiarenie Zeme
Z mnohých rádionuklidov, ktoré sa vytvorili so Zemou, len niekoľko z nich má dostatočne dlhý polčas na vysvetlenie ich súčasnej existencie. Ak by naša planéta vznikla asi pred 6 miliardami rokov, potrebovali by polčas rozpadu aspoň 100 miliónov rokov, aby zostali v merateľných množstvách. Z doteraz objavených primárnych rádionuklidov majú najväčší význam tri. Zdrojom röntgenového žiarenia je K-40, U-238 a Th-232. Urán a tórium tvoria reťazec produktov rozpadu, ktoré sú takmer vždy v prítomnosti pôvodného izotopu. Hoci mnohé z dcérskych rádionuklidov majú krátku životnosť, v životnom prostredí sú bežné, pretože sa neustále tvoria z materských materiálov s dlhou životnosťou.
Iné prvotné zdroje röntgenového žiarenia s dlhou životnosťou sú skrátka vo veľmi nízkych koncentráciách. Sú to Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176 atď. Prirodzene sa vyskytujúce neutróny tvoria mnoho ďalších rádionuklidov, ale ich koncentrácia je zvyčajne veľmi nízka. Lom Oklo v africkom Gabone obsahuje dôkazy o „prírodnom reaktore“, v ktorom prebiehali jadrové reakcie. Vyčerpanie U-235 a prítomnosť štiepnych produktov v bohatom ložisku uránu naznačujú, že spontánne vyvolaná reťazová reakcia tu prebehla asi pred 2 miliardami rokov.
Hoci primordiálne rádionuklidy sú všadeprítomné, ich koncentrácia sa líši podľa lokality. HlavnáZásobníkom prirodzenej rádioaktivity je litosféra. Okrem toho sa výrazne mení v rámci litosféry. Niekedy je spojená s určitými typmi zlúčenín a minerálov, niekedy je čisto regionálna, s malou koreláciou s typmi hornín a minerálov.
Distribúcia primárnych rádionuklidov a produktov rozpadu ich potomstva v prírodných ekosystémoch závisí od mnohých faktorov vrátane chemických vlastností nuklidov, fyzikálnych faktorov ekosystému a fyziologických a ekologických vlastností flóry a fauny. Zvetrávanie hornín, ich hlavnej zásobárne, dodáva pôde U, Th a K. Na tomto prenose sa podieľajú aj produkty rozpadu Th a U. Z pôdy rastliny absorbujú K, Ra, trochu U a veľmi málo Th. Používajú draslík-40 rovnakým spôsobom ako stabilný K. Rádium, produkt rozpadu U-238, rastlina využíva nie preto, že je izotopom, ale preto, že je chemicky blízko vápniku. Príjem uránu a tória rastlinami je vo všeobecnosti zanedbateľný, pretože tieto rádionuklidy sú zvyčajne nerozpustné.
Radon
Najdôležitejším zo všetkých zdrojov prírodného žiarenia je prvok bez chuti a zápachu, neviditeľný plyn, ktorý je 8-krát ťažší ako vzduch, radón. Pozostáva z dvoch hlavných izotopov - radónu-222, jedného z produktov rozpadu U-238, a radónu-220, ktorý vzniká pri rozpade Th-232.
Kamene, pôda, rastliny, zvieratá vypúšťajú do atmosféry radón. Plyn je produktom rozpadu rádia a vzniká v akomkoľvek materiáliktorý ho obsahuje. Keďže radón je inertný plyn, môže sa uvoľňovať z povrchov, ktoré prichádzajú do kontaktu s atmosférou. Množstvo radónu, ktoré vychádza z daného množstva horniny, závisí od množstva rádia a plochy povrchu. Čím je hornina menšia, tým viac radónu dokáže uvoľniť. Koncentrácia Rn vo vzduchu vedľa materiálov obsahujúcich rádium tiež závisí od rýchlosti vzduchu. V pivniciach, jaskyniach a baniach so zlou cirkuláciou vzduchu môžu koncentrácie radónu dosiahnuť značné úrovne.
Rn sa rozkladá pomerne rýchlo a vytvára množstvo dcérskych rádionuklidov. Po vytvorení v atmosfére sa produkty rozpadu radónu spájajú s jemnými prachovými časticami, ktoré sa usadzujú na pôde a rastlinách a sú tiež vdychované zvieratami. Dažďové zrážky sú obzvlášť účinné pri odstraňovaní rádioaktívnych prvkov zo vzduchu, ale k ich usadzovaniu prispieva aj dopad a usadzovanie aerosólových častíc.
V miernom podnebí sú vnútorné koncentrácie radónu v priemere asi 5 až 10-krát vyššie ako vonku.
Za posledných niekoľko desaťročí človek „umelo“vyprodukoval niekoľko stoviek rádionuklidov, súvisiace röntgenové lúče, zdroje, vlastnosti, ktoré majú využitie v medicíne, vojenstve, výrobe energie, prístrojovom vybavení a prieskume nerastov.
Jednotlivé účinky umelých zdrojov žiarenia sa značne líšia. Väčšina ľudí dostáva relatívne malú dávku umelého žiarenia, no niektorí dostávajú mnohotisícnásobok žiarenia z prírodných zdrojov. Umelé zdroje sú lepšiekontrolované ako prirodzené.
Röntgenové zdroje v medicíne
V priemysle a medicíne sa spravidla používajú iba čisté rádionuklidy, čo zjednodušuje identifikáciu únikových ciest z úložísk a proces zneškodňovania.
Používanie žiarenia v medicíne je rozšírené a má potenciál mať významný vplyv. Zahŕňa zdroje röntgenového žiarenia používané v medicíne na:
- diagnostika;
- terapia;
- analytické postupy;
- pacing.
Na diagnostiku sa používajú uzavreté žiariče a široká škála rádioaktívnych indikátorov. Lekárske inštitúcie vo všeobecnosti rozlišujú medzi týmito aplikáciami ako rádiológiu a nukleárnu medicínu.
Je röntgenová trubica zdrojom ionizujúceho žiarenia? Počítačová tomografia a fluorografia sú známe diagnostické postupy, ktoré sa vykonávajú s jej pomocou. Okrem toho existuje mnoho aplikácií izotopových zdrojov v lekárskej rádiografii, vrátane gama a beta zdrojov a experimentálnych neutrónových zdrojov pre prípady, keď sú röntgenové prístroje nepohodlné, nevhodné alebo môžu byť nebezpečné. Z hľadiska životného prostredia nepredstavuje rádiografické žiarenie riziko, pokiaľ sú jeho zdroje zodpovedné a náležite zlikvidované. V tomto ohľade nie je história rádiových prvkov, radónových ihiel a luminiscenčných zlúčenín obsahujúcich rádium povzbudivá.
Bežne používané röntgenové zdroje založené na 90Sralebo 147 Pm. Príchod 252Cf ako prenosného neutrónového generátora urobil neutrónovú rádiografiu široko dostupnú, hoci vo všeobecnosti je táto technika stále veľmi závislá od dostupnosti jadrových reaktorov.
Nukleárna medicína
Hlavným nebezpečenstvom pre životné prostredie sú rádioizotopové označenia v nukleárnej medicíne a röntgenové zdroje. Príklady nežiaducich vplyvov sú nasledovné:
- ožiarenie pacienta;
- ožarovanie nemocničného personálu;
- expozícia počas prepravy rádioaktívnych liečiv;
- vplyv počas výroby;
- vystavenie rádioaktívnemu odpadu.
V posledných rokoch existuje trend smerom k znižovaniu expozície pacientov zavádzaním izotopov s kratšou životnosťou s užším účinkom a používaním vysoko lokalizovaných liekov.
Kratší polčas rozpadu znižuje vplyv rádioaktívneho odpadu, pretože väčšina prvkov s dlhou životnosťou sa vylučuje obličkami.
Vplyv kanalizácie na životné prostredie nezávisí od toho, či je pacient hospitalizovaný alebo ambulantný. Zatiaľ čo väčšina uvoľnených rádioaktívnych prvkov bude mať pravdepodobne krátku životnosť, kumulatívny účinok ďaleko presahuje úrovne znečistenia všetkých jadrových elektrární dohromady.
Najčastejšie používanými rádionuklidmi v medicíne sú zdroje röntgenového žiarenia:
- 99mTc – sken lebky a mozgu, sken cerebrálnej krvi, srdca, pečene, pľúc, sken štítnej žľazy, lokalizácia placenty;
- 131I - krv, sken pečene, lokalizácia placenty, sken štítnej žľazy a liečba;
- 51Cr - určenie doby trvania existencie červených krviniek alebo sekvestrácie, objem krvi;
- 57Co – Schillingov test;
- 32P – kostné metastázy.
Rozšírené používanie postupov rádioimunoanalýzy, analýzy moču a iných výskumných metód s použitím značených organických zlúčenín výrazne zvýšilo používanie kvapalných scintilačných prípravkov. Organické roztoky fosforu, zvyčajne na báze toluénu alebo xylénu, tvoria pomerne veľký objem tekutého organického odpadu, ktorý sa musí zlikvidovať. Spracovanie v tekutej forme je potenciálne nebezpečné a pre životné prostredie neprijateľné. Z tohto dôvodu sa uprednostňuje spaľovanie odpadu.
Vzhľadom na to, že dlhoveké 3H alebo 14C sa ľahko rozpúšťajú v prostredí, ich expozícia je v normálnom rozsahu. Kumulatívny efekt však môže byť významný.
Ďalším medicínskym využitím rádionuklidov je použitie plutóniových batérií na napájanie kardiostimulátorov. Tisíce ľudí sú dnes nažive, pretože tieto zariadenia pomáhajú ich srdcu fungovať. Utesnené zdroje 238Pu (150 GBq) sú pacientom chirurgicky implantované.
Priemyselné röntgenové žiarenie: zdroje, vlastnosti, aplikácie
Medicína nie je jedinou oblasťou, v ktorej táto časť elektromagnetického spektra našla uplatnenie. Rádioizotopy a röntgenové zdroje používané v priemysle sú významnou súčasťou technogénnej radiačnej situácie. Príklady aplikácií:
- priemyselná rádiografia;
- meranie žiarenia;
- detektory dymu;
- samosvietiace materiály;
- Röntgenová kryštalografia;
- skenery na kontrolu batožiny a príručnej batožiny;
- röntgenové lasery;
- synchrotrons;
- cyklotróny.
Vzhľadom na to, že väčšina z týchto aplikácií zahŕňa použitie enkapsulovaných izotopov, počas prepravy, prenosu, údržby a likvidácie dochádza k vystaveniu žiareniu.
Je röntgenová trubica zdrojom ionizujúceho žiarenia v priemysle? Áno, používa sa v letiskových nedeštruktívnych testovacích systémoch, pri štúdiu kryštálov, materiálov a štruktúr a pri priemyselnej kontrole. Za posledné desaťročia dosiahli dávky radiačnej záťaže vo vede a priemysle polovičnú hodnotu tohto ukazovateľa v medicíne; preto je príspevok významný.
Zapuzdrené röntgenové zdroje samotné majú malý účinok. Ale ich preprava a likvidácia sú znepokojujúce, keď sa stratia alebo omylom vyhodia na skládku. Takéto zdrojeRöntgenové lúče sa zvyčajne dodávajú a inštalujú ako dvojito utesnené disky alebo valce. Kapsuly sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele a vyžadujú pravidelnú kontrolu tesnosti. Problémom môže byť ich likvidácia. Krátkodobé zdroje sa môžu skladovať a znehodnocovať, ale aj vtedy sa s nimi musí riadne počítať a zvyškový aktívny materiál sa musí zlikvidovať v licencovanom zariadení. V opačnom prípade by sa kapsuly mali poslať do špecializovaných inštitúcií. Ich sila určuje materiál a veľkosť aktívnej časti zdroja röntgenového žiarenia.
Umiestnenia zdroja röntgenového žiarenia
Narastajúcim problémom je bezpečné vyraďovanie z prevádzky a dekontaminácia priemyselných areálov, kde sa v minulosti skladovali rádioaktívne materiály. Väčšinou ide o staršie zariadenia na prepracovanie jadrových zbraní, ale je potrebné zapojiť aj iné priemyselné odvetvia, ako napríklad závody na výrobu samosvietiacich tríciových nápisov.
Osobitným problémom sú dlhotrvajúce nízkoúrovňové zdroje, ktoré sú rozšírené. Napríklad 241Am sa používa v detektoroch dymu. Okrem radónu sú to hlavné zdroje röntgenového žiarenia v každodennom živote. Samostatne nepredstavujú žiadne nebezpečenstvo, no značný počet z nich môže v budúcnosti predstavovať problém.
Jadrové výbuchy
Počas posledných 50 rokov bol každý vystavený žiareniu zo spadu spôsobeného testovaním jadrových zbraní. Ich vrchol bol na1954-1958 a 1961-1962.
V roku 1963 podpísali tri krajiny (ZSSR, USA a Veľká Británia) dohodu o čiastočnom zákaze jadrových testov v atmosfére, oceáne a kozmickom priestore. Počas nasledujúcich dvoch desaťročí Francúzsko a Čína vykonali sériu oveľa menších testov, ktoré sa skončili v roku 1980. Podzemné testy stále prebiehajú, ale vo všeobecnosti nevytvárajú zrážky.
Rádioaktívna kontaminácia z atmosférických testov dopadá blízko miesta výbuchu. Niektoré z nich zostávajú v troposfére a vietor ich roznáša po celom svete v rovnakej zemepisnej šírke. Pri pohybe padajú na zem a vo vzduchu zostávajú asi mesiac. Väčšina je však vytlačená do stratosféry, kde znečistenie zostáva dlhé mesiace a pomaly klesá po celej planéte.
Rádioaktívny spad zahŕňa niekoľko stoviek rôznych rádionuklidov, ale len niekoľko z nich je schopných ovplyvniť ľudské telo, takže ich veľkosť je veľmi malá a rozpad je rýchly. Najvýznamnejšie sú C-14, Cs-137, Zr-95 a Sr-90.
Zr-95 má polčas rozpadu 64 dní, zatiaľ čo Cs-137 a Sr-90 majú približne 30 rokov. Iba uhlík-14 s polčasom rozpadu 5730 zostane aktívny ďaleko v budúcnosti.
Jadrová energia
Jadrová energia je najkontroverznejším zo všetkých antropogénnych zdrojov žiarenia, no prispieva len veľmi málo k vplyvom na ľudské zdravie. Počas bežnej prevádzky jadrové zariadenia uvoľňujú do životného prostredia zanedbateľné množstvo žiarenia. február 2016Civilne prevádzkovaných jadrových reaktorov bolo 442 v 31 krajinách a 66 ďalších bolo vo výstavbe. Toto je len časť výrobného cyklu jadrového paliva. Začína sa ťažbou a mletím uránovej rudy a pokračuje výrobou jadrového paliva. Po použití v elektrárňach sa palivové články niekedy prepracujú, aby sa získal urán a plutónium. Nakoniec sa cyklus končí likvidáciou jadrového odpadu. V každej fáze tohto cyklu sa môžu uvoľniť rádioaktívne materiály.
Asi polovica svetovej produkcie uránovej rudy pochádza z povrchových ložísk, druhá polovica z baní. Následne sa drví na neďalekých drvičoch, ktoré produkujú veľké množstvo odpadu – stovky miliónov ton. Tento odpad zostáva rádioaktívny ešte milióny rokov po tom, čo elektráreň prestane fungovať, hoci žiarenie je veľmi malým zlomkom prirodzeného pozadia.
Potom sa urán premení na palivo prostredníctvom ďalšieho spracovania a čistenia v obohacovacích zariadeniach. Tieto procesy vedú k znečisteniu ovzdušia a vody, ale sú oveľa menšie ako v iných fázach palivového cyklu.
