Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів




Сторінка17/37
Дата конвертації19.12.2016
Розмір5.01 Kb.
ТипНавчальний посібник
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   37
Захист від лазерного випромінювання. Лазерне випроміню-вання є електромагнітним випромінюванням, що генерується в діапазоні довжин хвиль
= 0,2 1000 мкм. Лазери широко застосовуються у мікроелектроніці, біології, метрології, медицині, геодезії, зв’язку, стереоскопії, голографії, обчислювальної техніки у дослідженнях з термоядерного синтезу та в багатьох інших областях науки і техніки.
Лазери бувають імпульсивного та безперервного випромінювання.
Імпульсивне випромінювання з тривалістю не більше 0,25 с, безперервне випромінювання з тривалістю 0,25 с та більше.
Промисловістю випускаються твердотільні, газові та рідинні лазери.
Лазерне випромінювання характеризується монохроматичністю, високою когерентністю, надзвичайно малою енергетичною розбіжністю променя та високою енергетичною освітленістю.
Енергетична освітленість (опроміненість) Вт см
-2
це відношення потужності потоку випромінювання, що падає на малу ділянку опроміненої поверхні, до площі цієї ділянки.
Енергетична експозиція (Дж см
-2
) це відношення енергії випромінювання, що падає на розглянуту ділянку, до площі цієї ділянки, інакше: це добуток енергетичної освітленості (опроміненості) (Вт см
-2
) на тривалість опромінення (с).
Енергетична освітленість лазерного променя досягає 10 12 10 13
Вт см
-2
. Цієї енергії виявляється достатньо для плавлення і навіть випаровування самих тугоплавких речовин.
Лазерне випромінювання супроводжується потужним електромагнітним полем. Наприклад, при розповсюдженні лазерного променя енергетичною освітленістю 3 10 9
Вт/см
2
у повітрі утворюється електричне поле напруженістю Е
= 10 8
В/м. Тому у речовини, яка опромінюється лазерним променем, можливі прояви як чисто електричних, так і хімічних ефектів, що призводять до ослаблення зв’язків між молекулами, до їх поляризації, аж до іонізації молекул речовини, яка піддається опроміненню.
Таким чином, лазерне випромінювання, безумовно, становить небезпеку для людини. Найбільш небезпечне воно для органів зору. Практично на всіх довжинах хвиль лазерне випромінювання проникає вільно усередину ока. Промені світла, перед тим як досягнути сітківки ока, проходіть через кілька середовищ заломлення: рогову оболонку, кришталик і, насамкінець склоподібне тіло.
Найбільш чутлива до шкідливого впливу лазерного опромінення сітківка. В результаті фокусування на малих ділянках сітківки можуть концентруватися густини енергії в сотні та тисячі разів більші тої, яка падає на передню поверхню роговиці ока. Енергія лазерного випромінювання, поглинута всередині ока, перетворюється на теплову енергію. Нагрівання може викликати різні пошкодження і руйнування ока.

153
Тканини живого організму при малих та середніх інтенсивностях опромінення майже непроникні для лазерного випромінювання. Тому поверхневі (шкірні) покриви зазнають найбільшого його впливу. Ступінь цього впливу визначається, з одного боку, параметрами самого випромінювання: чим вища інтенсивність випромінювання і чим довша його хвиля, тим сильніша його дія; з другого боку, на наслідки ураження шкіри впливає ступінь її пігментації. Пігмент шкіри є наче своєрідним екраном на шляху випромінювання у розташовані під шкірою тканини та органи.
За великих інтенсивностей лазерного опромінення можливі пошкодження не тільки шкіри, але й внутрішніх тканин та органів. Ці пошкодження мають характер набряків, крововиливів, омертвіння тканин, а також згортання або розпаду крові. В таких випадках пошкодження шкіри виявляються відносно менш вираженими, ніж зміни у внутрішніх тканинах, а в жирових тканинах взагалі не відзначено яких-небудь патологічних змін.
Розглядані можливі шкідливі наслідки від дії лазерного випромінювання відносяться до випадків прямого опромінення внаслідок грубих порушень правил безпечного обслуговування лазерних установок. Розсіяно або концентровано відбите випромінювання малої інтенсивності впливає значно частіше, результатом можуть бути різні функціональні порушення в організмі у першу чергу в нервовій і серцево-судинній системах. Ці порушення проявляються у нестійкому артеріальному тиску крові, підвищеному потінні, дратівливості тощо.
Особи, що працюють в умовах впливу лазерного відбитого випромінювання підвищеної інтенсивності, скаржаться на головні болі, підвищену втомлюваність, неспокійний сон, відчуття втоми та болю в очах. Як правило, ці неприємні відчуття проходять без спеціального лікування після упорядкування режиму праці та відпочинку і застосування відповідних захисних профілактичних заходів.
Нормування лазерного випромінювання здійснюється за гранично допустимими рівнями (ГДР) опромінення. Ці рівні лазерного опромінення, які при щоденній роботі не викликають у працюючих захворювань та відхилень у стані здоров’я.
Згідно «Санітарним нормам та правилам будови та експлуатації лазерів» (М.:
Мінздрав СССР, 1982) ГДР лазерного випромінювання визначаються енергетичною експозицією тканин, що опромінюються (Дж см
-2
).
Біологічні ефекти, що виникають при дії лазерного випромінювання на організм поділяються на дві групи: а) первинні ефекти органічні зміни, що виникають безпосередньо в живих тканинах, які піддаються опроміненню (пряме опромінення); б) вторинні ефекти неспецифічні зміни, що виникають в організмі у відповідь на опромінення (тривале опромінення дифузним відбитим випромінюванням).
Лазери за ступенем небезпеки генерованого ними випромінювання поділяються на чотири класи:
1 клас вихідне випромінювання не становить небезпеки для очей та шкіри;

154 2 клас вихідне випромінювання становить небезпеку при опроміненні очей прямим або дзеркально відбитим випромінюванням;
3 клас вихідне випромінювання становить небезпеку при опроміненні очей прямим, дзеркально відбитим, а також дифузним відбитим випромінюванням на відстані 10 см від поверхні, що має властивість дифузного відбивання і (або) при опроміненні шкіри прямим та дзеркально відбитим випромінюванням;
4 клас вихідне випромінювання становить небезпеку при опроміненні шкіри дифузним відбитим випромінюванням на відстані 10 см від поверхні, що має властивість дифузного відбивання променів.
Робота лазерних установок може супроводжуватися також виникненням
інших небезпечних та шкідливих виробничих факторів, таких як: шум, аерозолі, гази, електромагнітне та іонізуюче випромінювання.
Клас небезпеки лазерної установки визначається на основі довжини хвилі випромінювання (мкм), розрахункової величини енергії опромінення Е (Дж) та
ГДР для даних умов роботи.
Визначення рівнів опромінення персоналу для лазерів 2 4 класів повинно проводитися періодично не рідше одного разу на рік в порядку поточного санітарного нагляду. Крім того, здійснюється контроль за дотриманням: граничнодопустимих концентрацій шкідливих речовин у повітрі робочої зони; гранично допустимих рівнів вібраційної швидкості; гранично допустимих рівнів електромагнітних випромінювань; гранично допустимих рівнів іонізуючих випромінювань.
Лазери 3 4 класу, що генерують випромінювання у видимому діапазоні ( =
0,4 0,75 мкм), і лазери 2 4 класів з генерацією в ультрафіолетовому діапазоні
( = 0,2 0,4 мкм) та інфрачервоному діапазонах довжин хвиль ( = 0,75 мкм та вище) повинні споряджатися сигнальними пристроями, які працюють з моменту початку генерації до її закінчення. Конструкція лазерів 4 класу повинна забезпечуватися можливістю дистанційного керування.
Для обмеження поширення прямого лазерного випромінювання за межі області випромінювання лазери 3 4 класу повинні обладнуватися екранами, виготовленими з вогнестійкого світловбираючого матеріалу, що не піддається плавленню і перешкоджає поширенню випромінювання.
Лазери четвертого класу повинні розташовуватися в окремих приміщеннях.
Внутрышня обробка стін і стелі приміщень повинна мати матову поверхню. Для зменшення діаметру зіниць необхідно забезпечити високу освітленість на робочих місцях (більше 150 лк).
З метою виключення можливості небезпеки опромінення персоналу для лазерів 2 3 класів необхідно або огороджувати всю небезпечну зону, або екранувати пучок випромінювання. Екрани та огородження повинні виготовлятися з матеріалів з найменшим коефіцієнтом відбивання на довжині хвилі генерації лазера, бути вогнестійкими і не виділяти токсичних речовин при дії на них лазерного випромінювання.

155
У тому випадку, коли колективні засоби захисту не дозволяють забезпечити достатнього захисту, застосовуються засоби індивідуального захисту (ЗІЗ) окуляри проти лазерів та захисні маски.
Конструкція окулярів проти лазерів повинна забезпечувати зменшення
інтенсивності опромінення очей лазерним випромінюванням до ГДК у відповідності з вимогами ГОСТ 12.4.013-75.

3.2.4. Іонізуючі випромінювання

Основні положення
Іонізуючим випромінюванням називається випромінювання, взаємодія якого з речовиною призводить до утворення у цій речовині іонів різного знаку. Іонізуюче випромінювання складається із заряджених та незаряджених частинок, до яких відносяться також фотони. Енергію частинок іонізуючого випромінювання вимірюють у позасистемних одиницях електрон-вольтах, еВ. 1 еВ = 1,6 10
-19
Дж.
Розрізняють корпускулярне та фотонне іонізуюче випромінювання.
Корпускулярне іонізуюче випромінювання потік елементарних частинок з масою спокою, що відрізняється від нуля, які утворюються при радіоактивному розпаді, ядерних перетвореннях, або генеруються на прискорювачах. До нього відносяться: - та -частинки, нейтрони (n), протони (р) тощо.
-випромінювання
це потік частинок, які є ядрами атома Гелію і мають дві одиниці заряду. Енергія -частинок, що випромінюється різними радіонуклідами, лежить у межах 2 8 МеВ. При цьому всі ядра даного радіонукліда випускають - частинки, що мають одну й ту саму енергію.
-випромінювання це потік електронів або позитронів. Під час розпаду ядер -активного радіонукліда, на відміну від -розпаду, різні ядра даного радіонукліда випромінюють -частинки різної енергії, тому енергетичний спектр
-частинок неперервний. Середня енергія -спектра складає приблизно 0,3 Е
max.
Максимальна енергія -частинок відомих у нинішній час радіонуклідів може досягати 3,0 3,5 МеВ.
Нейтрони (нейтронне випромінювання) нейтральні елементарні частинки.
Оскільки нейтрони не мають електричного заряду, під час проходження крізьчерез речовину вони взаємодіють тільки з ядрами атомів. У результаті цих процесів утворюються або заряджені частинки (ядра віддачі, протони, дейтрони), або -випромінювання, що викликає іонізацію. За характером взаємодії із середовищем, що залежить від рівня енергії нейтронів, вони умовно поділені на 4 групи: теплові нейтрони
0,0 0,5 кеВ проміжні нейтрони
0,5 200 кеВ швидкі нейтрони
200 кеВ 20 МеВ релятивістські нейтрони більше 20 МеВ

156
Фотонне випромінювання потік електромагнітних частинок, які поширюються у вакуумі із постійною швидкістю 300000 км/с. До нього відноситься -випромінювання, характеристичне, гальмівне та рентгенівське випромінювання.
Маючи одну й ту саму природу, ці види електромагнітних випромінювань розрізняються за умовами утворення, а також властивостями: довжиною хвилі та енергією.
Так, -випромінювання випромінюється під час ядерних перетворень або при анігіляції частинок.
Характеристичне випромінювання фотонне випромінювання із дискретним спектром, що випромінюється при зміні енергетичного стану атома, яка обумовлена перебудовою внутрішніх електронних оболонок.
Гальмівне випромінювання пов’язане із зміною кінетичної енергії заряджених частинок, має неперервний спектр і виникає у середовищі, яке оточує джерело
-випромінювання, у рентгенівських трубках, у прискорювачах електронів тощо.
Рентгенівське випромінювання сукупність гальмівного та характери- тичного випромінювань, діапазон енергії фотонів яких складає 1 кеВ 1 МеВ.
Випромінювання характеризуються за їх іонізуючою та проникною здатністю. Іонізуюча здатність випромінювання визначається питомою
іонізацією, тобто числом пар іонів, створюваних частинкою в одиниці об’єму, маси середовища або на одиниці довжини шляху. Випромінювання різних видів мають різну іонізуючу здатність.
Проникна здатність випромінювань визначається величиною пробігу.
Пробігом називається шлях, який проходить частинка у речовині до її повної зупинки, обумовленої тим або іншим видом взаємодії.
-частинки володіють найбільшою іонізуючою здатністю. Їх питома іонізація змінюється від 25 до 60 тис. пар іонів на 1 см шляху в повітрі. Довжина пробігу цих частинок в повітрі складає кілька сантиметрів, а у м’якій біологічній тканині кілька десятків мікрон.
-випромінювання має суттєво меншу іонізуючу здатність і більшу проникну здатність. Середня величина питомої іонізації в повітрі складає близько 100 пар
іонів на 1 см шляху, а максимальний пробіг досягає кількох метрів при великих енергіях.
Найменшою іонізуючою здатністю та найбільшою проникною здатністю володіють фотонні випромінювання. У всіх процесах взаємодії електромагнітного випромінювання із середовищем частина енергії перетворюється в кінетичну енергію вторинних електронів, які, проходячи крізь речовину, виконують
іонізацію. Проходження фотонного випромінювання крізь речовину, взагалі не може бути охарактеризоване поняттям пробігу. Послаблення потоку електро- магнітного випромінювання у речовині підлягає експонентціальному закону і характеризується коефіцієнтом послаблення
, який залежить від енергії випромінювання та властивостей речовини. Особливість експоненціальних кривих полягає в тому, що вони не перетинаються з віссю абсцис. Це означає, що

157 якою б не була товщина шару речовини, вона не може повністю поглинути потік фотонного випромінювання, а може тільки послабити його інтенсивність у будь- яку кількість разів. У цьому суттєва відмінність характеру послаблення фотонного випромінювання від послаблення заряджених частинок, для яких існує мінімальна товщина шару речовини поглинача (пробіг), де відбувається повне поглинання потоку заряджених частинок.
Відкриття іонізуючого випромінювання пов’язане з іменем французького вченого Анрі Беккереля. У 1896 р. він знайшов на фотографічних пластинках сліди якихось випромінювань, залишених мінералом, який містив уран, а у 1898 р.
Марія Кюрі та її чоловік П’єр Кюрі встановили, що після випромінювань уран спонтанно послідовно перетворюється в інші елементи. Цей процес перетворення одних елементів в інші, що супроводжується іонізаційним випромінюванням,
Марія Кюрі назвала радіоактивністю. Так була відкрита природна радіоак- тивність, яку мають елементи із нестабільними ядрами. В 1934 році Ірен та
Фредерік Жюліо-Кюрі показали, що діючи нейтронами на ядра стабільних елементів, можна отримати ізотопи із штучною радіоактивністю.
Таким чином розрізняють природні та технічні джерела іонізуючого випромінювання. До природних відносяться космічні, а також земні джерела, що створюють природне опромінювання (природний фон). До технічних відносяться джерела, спеціально створені для корисного застосування випромінювання або такі, що є побічним продуктом діяльності.
Фізика радіоактивності
Природа випромінювань добре вивчена. Щоб зрозуміти, як виникають випромінювання, необхідно згадати деякі відомості з атомної фізики.
Згідно планетарної моделі атома, запропонованої в 1911 р. англійським фізиком Резерфордом ядро атома складається з позитивних протонів та нейтральних нейтронів. Навколо ядра обертаються по своїх орбітах негативно заряджені електрони. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, тобто атом нейтральний з точки зору електрики.
Ядра атомів одного й того самого елемента завжди містять однакову кількість протонів, але кількість нейтронів у них може бути різного. Атоми, що мають ядра з однаковим числом протонів, але різняться за числом нейтронів відносяться до різновидів одного і того самого хімічного елемента і називаються
ізотопами. Щоб відрізняти їх один від одного до символу елемента приписують число, що дорівнює сумі всіх частинок у ядрі даного ізотопа. Так, Уран-238 містить 92 протони та 238 92 = 146 нейтронів, в Урані-235 також 92 протони, але 235 92 = 143 нейтрони. Протони і нейтрони мають загальну назву
«нуклони». Повне число нуклонів називається масовим числом А і є мірою стабільності ядра. Чим ближче розташований елемент до кінця таблиці
Менделєєва, тим більше нейтронів у ядрі і тим менш стійкі ці ядра.
Ядра всіх ізотопів утворюють групу «нуклідів». Деякі нукліди стабільні, тобто за відсутності зовнішньої дії не зазнають ніяких перетворень. Але більшість нуклідів нестабільні, вони весь час перетворюються в інші нукліди.

158
Електрони розташовуються на орбітах в суворій послідовності, на найближчій до ядра орбіті може містяться не більше 2 електронів, на наступній орбіті не більше 8, на третій 18, далі 32.
Ці умови навів, як постулати, в 1913 р. датський фізик Нільс Бор. Потім вони були підтверджені експериментаторами. Енергія атома дискретна. Перехід із одного стану в інший відбувається стрибкоподібно з випромінюванням або поглинанням суворо фіксованої порції енергії кванта. Цей термін запровадив основоположник квантової теорії Макс Планк.
Електрони можуть переходити з однієї орбіти на іншу і покидати атом.
Складні процеси, які відбуваються всередині атома, супроводжуються вивільненням енергії у вигляді випромінювання.
Можна сказати, випромінювання ядром двох протонів і двох нейтронів це
-випромінювання, випромінювання електрона це -випромінювання.
Якщо нестабільний нуклід стає перезбудженим, то він викидає порцію чистої енергії, яку називають гамма-випромінюванням (гамма-квантом). Як і у випадку рентгенівських променів (багато в чому подібних гамма-випромінюванню), при цьому не відбувається випромінювання яких-небудь частинок.
Процес спонтанного розпаду нукліда називається радіоактивним розпадом, а сам такий нуклід
радіонуклідом. Рівень нестабільності радіонуклідів неоднаковий: один розпадається дуже швидко, інші дуже повільно.
Час, протягом якого розпадається половина всіх радіонуклідів даного типу, називається періодом піврозпаду. Наприклад, період піврозпаду Урану-238 дорівнює 4,47 млрд років, а Протактинію-234 всього трохи більше однієї хвилини.
Біологічна дія іонізуючих випромінювань
Під дією іонізуючого випромінювання на організм людини у тканинах можуть відбуватися складні фізичні та біологічні процеси. В результаті іонізації живої тканини відбувається розрив молекулярних зв’язків і зміна хімічної структури різних сполук, що в свою чергу призводить до загибелі клітин.
Ще більш суттєву роль у формуванні біологічних наслідків відіграють продукти радіолізу води, яка складає 60 70 % маси біологічної тканини. Під дією
іонізуючого випромінювання на воду утворюються вільні радикали Н та ОН, а у присутності кисню також вільний радикал гідропероксиду (НО
2
) та пероксиду водню (Н
2
О
2
), що є сильними окисниками. Продукти радіолізу вступають у хімічні реакції з молекулами тканин, утворюючи сполуки, не властиві здоровому організму. Це призводить до порушення окремих функцій або систем, а також життєдіяльності організму взагалі.
Інтенсивність хімічних реакцій, індукованих вільними радикалами, підвищується і в них залучаються багато сотень і тисяч молекул, що не зазнали опромінювання. В цьому полягає специфіка дії іонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти, тобто ефект, створюваний випромінюванням обумовлений не стільки кількістю поглинутої енергії в опроміненому об’єкті, скільки тою формою, в якій ця енергія передається. Ніякий інший вид енергії (теплової, електричної тощо), поглинутої біологічним об’єктом у тій самій кількості, не призводить до таких змін, які викликають іонізуючі випромінювання.

159
Порушення біологічних процесів можуть бути або оборотними, коли нормальна робота клітин опроміненої тканини повністю відновлюється, або необоротними, що ведуть до ураження окремих органів або всього організму та виникнення променевої хвороби.
Розрізняють дві форми променевої хвороби гостру та хронічну.
Г о с т р а форма виникає в результаті опромінення великими дозами за короткий інтервал часу. При дозах близько порядку тисяч рад ураження організму може бути миттєвим («смерть під променем»). Гостра променева хвороба може виникнути і під час надходження усередину організму великих кількостей радіонуклідів.
Х р о н і ч н і у р а ж е н н я розвиваються в результаті систематичного опромінення дозами, що перевищують гранично допустимі (ГДД). Зміни у стані здоров’я називаються соматичними ефектами, якщо вони проявляються безпосередньо в опроміненої людини, та спадковими, якщо вони проявляються у його потомства.
Для вирішення питань радіаційної безпеки у першу чергу становлять інтерес ефекти, що спостерігаються при «малих дозах» порядку кількох сантизивертів на годину та нижче, які реально зустрічаються під час практичного використання атомної енергії. У нормах радіаційної безпеки, за одиницю часу, як правило, використовується рік, і як наслідок цього, поняття річної дози випромінювання.
Дуже важливим тут є те, що згідно сучасним уявленням вихід несприятливих ефектів у діапазоні «малих доз», що зустрічаються у звичайних умовах, мало залежить від потужності дози. Це означає, що ефект визначається передусім сумарною накопиченою дозою незалежно від того, отримана вона за 1 день, за 1 с або за 50 років. Таким чином, оцінюючи ефекти хронічного опромінювання, потрібно мати на увазі, що ці ефекти накопичуються в організмі протягом тривалого часу.
Ще в 1899 р. було встановлено ефект пригнічення ракових клітин іонізуючим випромінюванням. Надалі корисне застосування радіоактивних речовин у різних сферах діяльності стрімко розвивалося. У 1954 р. у Радянському Союзі була запущена перша в світі АЕС. На жаль, дослідження атома призвели до створення та застосування в 1945 р. атомної бомби у Хіросімі та Нагасакі. 26 квітня 1986 р. на ЧАЄС сталася дуже важка аварія, яка призвела до загибелі та захворювання людей, зараження значної території.
Дослідники випромінювань першими стикнулися з їх небезпечними властивостями. А. Беккерель отримав опік шкіри. Марія Кюрі, як припускають, померла від раку крові. Не менше ніж 336 осіб, що працювали з радіоактивними матеріалами, померли від переопромінення. Відмовитися від застосування радіоактивних речовин у науці, медицині, техніці, сільському господарстві неможливо через об’єктивні причини. Зостається один шлях забезпечити радіаційну безпеку, тобто такий стан середовища життя, за якого з певною
імовірністю виключене радіаційне ураження людини.



160
Дозиметричні величини та їх одиниці виміру
Дія іонізуючого випромінювання на речовину проявляється в іонізації та збудженні атомів і молекул, які входять до складу речовини. Кількісною мірою цієї дії слугує поглинута доза Д
п середня енергія, передана випромінюванням одиниці маси речовини. Одиниця поглинутої дози грей (Гр), названа на честь фізика Грея, 1Гр = 1Дж/кг. На практиці застосовується також позасистемна одиниця 1 рад = 100 ерг/г = 1 10
-2
Дж/кг = 0,01 Гр.
Поглинута доза випромінювання залежить від властивостей випромінювання та середовища поглинання. Для заряджених частинок ( , , протонів) невеликих енергій, швидких нейронів та деяких інших випромінювань, коли основними процесами їх взаємодії із речовиною є безпосередня іонізація та збудження, поглинута доза слугує однозначною характеристикою
іонізуючого випромінювання за його дією на середовище. Це пов’язано з тим, що між параметрами, що характеризують дані види випромінювання (потік, густина потоку тощо) і параметром, що характеризує іонізаційну здатність випромінювання у середовищі поглинутою дозою, можна встановити адекватні прямі залежності.
Для рентгенівського та
-випромінювань таких залежностей не спостерігається, тому що ці види випромінювань непрямі щодо іонізації. Отже, поглинута доза не може бути характеристикою цих випромінювань за їх дією на середовище.
До останнього часу у якості характеристики рентгенівського та
- випромінювань по ефекту іонізації використовують так звану експозиційну дозу.
Експозиційна доза виражає енергію фотонного випромінювання, перетворену на кінетичну енергію вторинних електронів, що створюють іонізацію в одиниці маси атмосферного повітря.
За одиницю експозиційної дози рентгенівського та -випромінювань приймають

Поділіться з Вашими друзьями:
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   37


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал