Visā Zemes dzīves vēsturē organismi ir pastāvīgi bijuši pakļauti kosmiskajiem stariem un to veidotajiem radionuklīdiem atmosfērā, kā arī dabā visuresošo vielu starojumam. Mūsdienu dzīve ir pielāgojusies visām vides īpatnībām un ierobežojumiem, tostarp dabiskajiem rentgenstaru avotiem.
Lai gan augsts starojuma līmenis noteikti ir kaitīgs organismiem, daži starojuma veidi ir būtiski dzīvībai. Piemēram, radiācijas fons veicināja ķīmiskās un bioloģiskās evolūcijas pamatprocesus. Tāpat acīmredzams ir fakts, ka Zemes kodola siltumu nodrošina un uztur primāro, dabisko radionuklīdu sabrukšanas siltums.
Kosmiskie stari
Ārpuszemes izcelsmes starojumu, kas nepārtraukti bombardē Zemi saucatstarpe.
Fakts, ka šis caurlaidīgais starojums sasniedz mūsu planētu no kosmosa, nevis no Zemes, tika atklāts eksperimentos, lai izmērītu jonizāciju dažādos augstumos no jūras līmeņa līdz 9000 m. Tika konstatēts, ka jonizējošā starojuma intensitāte samazinājās līdz 700 m augstumam un pēc tam strauji pieauga līdz ar kāpumu. Sākotnējo samazinājumu var izskaidrot ar sauszemes gamma staru intensitātes samazināšanos un pieaugumu ar kosmisko staru darbību.
Rentgenstaru avoti kosmosā ir šādi:
- galaktiku grupas;
- Seiferta galaktikas;
- Saule;
- zvaigznes;
- kvazāri;
- melnie caurumi;
- supernovas paliekas;
- b altie punduri;
- tumšas zvaigznes utt.
Pierādījums par šādu starojumu, piemēram, ir kosmisko staru intensitātes palielināšanās, kas novērota uz Zemes pēc saules uzliesmojumiem. Taču mūsu zvaigzne nedod galveno ieguldījumu kopējā plūsmā, jo tās ikdienas svārstības ir ļoti mazas.
Divu veidu stari
Kosmiskos starus iedala primārajos un sekundārajos. Starojumu, kas neiedarbojas ar vielu atmosfērā, litosfērā vai Zemes hidrosfērā, sauc par primāro. Tas sastāv no protoniem (≈ 85%) un alfa daļiņām (≈ 14%), ar daudz mazāku plūsmu (< 1%) smagākiem kodoliem. Sekundārie kosmiskie rentgena stari, kuru starojuma avoti ir primārais starojums un atmosfēra, sastāv no subatomiskām daļiņām, piemēram, pioniem, mioniem unelektroni. Jūras līmenī gandrīz visu novēroto starojumu veido sekundārie kosmiskie stari, no kuriem 68% ir mioni un 30% ir elektroni. Mazāk nekā 1% no plūsmas jūras līmenī veido protoni.
Primārajiem kosmiskajiem stariem, kā likums, ir milzīga kinētiskā enerģija. Tie ir pozitīvi uzlādēti un iegūst enerģiju, paātrinoties magnētiskajos laukos. Kosmosa vakuumā lādētas daļiņas var pastāvēt ilgu laiku un ceļot miljoniem gaismas gadu. Šī lidojuma laikā tie iegūst augstu kinētisko enerģiju aptuveni 2–30 GeV (1 GeV=109 eV). Atsevišķu daļiņu enerģija ir līdz 1010 GeV.
Primāro kosmisko staru augstās enerģijas ļauj tiem burtiski sadalīt atomus Zemes atmosfērā, kad tie saduras. Kopā ar neitroniem, protoniem un subatomiskām daļiņām var veidoties viegli elementi, piemēram, ūdeņradis, hēlijs un berilijs. Mūoni vienmēr ir uzlādēti un arī ātri sadalās elektronos vai pozitronos.
Magnētiskais vairogs
Kosmisko staru intensitāte strauji palielinās līdz ar augšupeju, līdz sasniedz maksimumu aptuveni 20 km augstumā. No 20 km līdz atmosfēras robežai (līdz 50 km) intensitāte samazinās.
Šis modelis ir izskaidrojams ar sekundārā starojuma ražošanas palielināšanos gaisa blīvuma palielināšanās rezultātā. 20 km augstumā lielākā daļa primārā starojuma jau ir nonākusi mijiedarbībā, un intensitātes samazināšanās no 20 km līdz jūras līmenim atspoguļo sekundāro staru absorbciju.atmosfērā, kas atbilst aptuveni 10 metriem ūdens.
Arī starojuma intensitāte ir saistīta ar platuma grādiem. Tajā pašā augstumā kosmiskā plūsma palielinās no ekvatora līdz 50–60° platumam un paliek nemainīga līdz poliem. Tas izskaidrojams ar Zemes magnētiskā lauka formu un primārā starojuma enerģijas sadalījumu. Magnētiskā lauka līnijas, kas stiepjas ārpus atmosfēras, parasti ir paralēlas zemes virsmai pie ekvatora un perpendikulāras pie poliem. Uzlādētas daļiņas viegli pārvietojas pa magnētiskā lauka līnijām, bet gandrīz nepārvar to šķērsvirzienā. No poliem līdz 60° gandrīz viss primārais starojums sasniedz Zemes atmosfēru, un pie ekvatora magnētiskajā vairogā var iekļūt tikai daļiņas, kuru enerģija pārsniedz 15 GeV.
Sekundārie rentgena avoti
Kosmisko staru mijiedarbības ar vielu rezultātā nepārtraukti veidojas ievērojams daudzums radionuklīdu. Lielākā daļa no tiem ir fragmenti, bet daži no tiem veidojas, neitroniem vai mioniem aktivizējot stabilus atomus. Dabiskā radionuklīdu veidošanās atmosfērā atbilst kosmiskā starojuma intensitātei augstumā un platuma grādos. Apmēram 70% no tiem rodas stratosfērā un 30% - troposfērā.
Izņemot H-3 un C-14, radionuklīdi parasti ir atrodami ļoti zemā koncentrācijā. Tritiju atšķaida un sajauc ar ūdeni un H-2, un C-14 savienojas ar skābekli, veidojot CO2, kas sajaucas ar atmosfēras oglekļa dioksīdu. Ogleklis-14 iekļūst augos fotosintēzes ceļā.
Zemes starojums
No daudzajiem radionuklīdiem, kas izveidojušies kopā ar Zemi, tikai dažiem ir pietiekami ilgs pussabrukšanas periods, lai izskaidrotu to pašreizējo eksistenci. Ja mūsu planēta veidotos pirms aptuveni 6 miljardiem gadu, tām būtu nepieciešams vismaz 100 miljonus gadu ilgs pussabrukšanas periods, lai tās paliktu izmērāmos daudzumos. No līdz šim atklātajiem primārajiem radionuklīdiem vissvarīgākie ir trīs. Rentgenstaru avots ir K-40, U-238 un Th-232. Urāns un torijs katrs veido sabrukšanas produktu ķēdi, kas gandrīz vienmēr atrodas sākotnējā izotopa klātbūtnē. Lai gan daudzi meitas radionuklīdi ir īslaicīgi, tie ir izplatīti vidē, jo tie pastāvīgi veidojas no ilgstošiem izejmateriāliem.
Citi pirmie ilgstošie rentgenstaru avoti, īsi sakot, ir ļoti zemā koncentrācijā. Tie ir Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176 uc Dabā sastopamie neitroni veido daudzus citus radionuklīdus, taču to koncentrācija parasti ir ļoti zema. Oklo karjerā Gabonā, Āfrikā, ir pierādījumi par "dabisku reaktoru", kurā notika kodolreakcijas. U-235 samazināšanās un skaldīšanās produktu klātbūtne bagātīgā urāna atradnē liecina, ka šeit notika spontāni izraisīta ķēdes reakcija aptuveni pirms 2 miljardiem gadu.
Lai gan pirmatnējie radionuklīdi ir visuresoši, to koncentrācija atšķiras atkarībā no atrašanās vietas. GalvenāDabiskās radioaktivitātes rezervuārs ir litosfēra. Turklāt tas būtiski mainās litosfērā. Dažreiz tas ir saistīts ar noteiktiem savienojumu un minerālu veidiem, dažreiz tas ir tīri reģionāls, ar nelielu korelāciju ar iežu un minerālu veidiem.
Primāro radionuklīdu un to pēcnācēju sabrukšanas produktu izplatība dabiskajās ekosistēmās ir atkarīga no daudziem faktoriem, tostarp no nuklīdu ķīmiskajām īpašībām, ekosistēmas fizikālajiem faktoriem un floras un faunas fizioloģiskajām un ekoloģiskajām īpašībām. Akmeņu, to galvenās rezervuāra, dēdēšana augsnē piegādā U, Th un K. Šajā pārnesē piedalās arī Th un U sabrukšanas produkti. No augsnes augi uzņem K, Ra, nedaudz U un ļoti maz Th. Tie izmanto kāliju-40 tāpat kā stabilo K. Augs izmanto rādiju, U-238 sabrukšanas produktu, nevis tāpēc, ka tas ir izotops, bet gan tāpēc, ka tas ir ķīmiski tuvu kalcijam. Urāna un torija uzņemšana augos parasti ir niecīga, jo šie radionuklīdi parasti ir nešķīstoši.
Radons
Vissvarīgākais no visiem dabiskā starojuma avotiem ir bezgaršas, bez smaržas elements, neredzama gāze, kas ir 8 reizes smagāka par gaisu, radons. Tas sastāv no diviem galvenajiem izotopiem - radona-222, kas ir viens no U-238 sabrukšanas produktiem, un radona-220, kas veidojas Th-232 sabrukšanas laikā.
Akmeņi, augsne, augi, dzīvnieki izdala radonu atmosfērā. Gāze ir rādija sabrukšanas produkts, un to ražo no jebkura materiālakas to satur. Tā kā radons ir inerta gāze, tas var izdalīties no virsmām, kas nonāk saskarē ar atmosfēru. Radona daudzums, kas izdalās no noteiktas iežu masas, ir atkarīgs no rādija daudzuma un virsmas laukuma. Jo mazāks iezis, jo vairāk radona tas var izdalīt. Rn koncentrācija gaisā blakus rādiju saturošiem materiāliem ir atkarīga arī no gaisa ātruma. Pagrabos, alās un raktuvēs, kurās ir slikta gaisa cirkulācija, radona koncentrācija var sasniegt ievērojamu līmeni.
Rn sadalās diezgan ātri un veido vairākus meitas radionuklīdus. Kad radona sabrukšanas produkti ir izveidojušies atmosfērā, tie savienojas ar smalkām putekļu daļiņām, kas nosēžas uz augsnes un augiem, un tos ieelpo arī dzīvnieki. Nokrišņi ir īpaši efektīvi radioaktīvo elementu attīrīšanā no gaisa, taču to nogulsnēšanos veicina arī aerosola daļiņu ietekme un nosēšanās.
Mērenā klimatā radona koncentrācija telpās ir vidēji aptuveni 5 līdz 10 reizes augstāka nekā ārpus telpām.
Pēdējo desmitgažu laikā cilvēks ir "mākslīgi" radījis vairākus simtus radionuklīdu, ar tiem saistīto rentgenstaru, avotu, īpašību, ko var izmantot medicīnā, militārajā jomā, elektroenerģijas ražošanā, instrumentācijā un derīgo izrakteņu izpētē.
Cilvēka radīto starojuma avotu individuālā ietekme ir ļoti atšķirīga. Lielākā daļa cilvēku saņem salīdzinoši nelielu mākslīgā starojuma devu, bet daži saņem daudzus tūkstošus reižu lielāku starojumu no dabiskiem avotiem. Labāki ir cilvēka radīti avotikontrolēta nekā dabiska.
Rentgena avoti medicīnā
Rūpniecībā un medicīnā parasti izmanto tikai tīrus radionuklīdus, kas vienkāršo noplūdes ceļu noteikšanu no uzglabāšanas vietām un apglabāšanas procesu.
Radiācijas izmantošana medicīnā ir plaši izplatīta, un tai var būt būtiska ietekme. Tajā ir iekļauti rentgenstaru avoti, ko izmanto medicīnā:
- diagnostika;
- terapija;
- analītiskās procedūras;
- temps.
Diagnostikai tiek izmantoti gan slēgtie avoti, gan visdažādākie radioaktīvie marķieri. Medicīnas iestādes parasti nošķir šādus lietojumus kā radioloģiju un kodolmedicīnu.
Vai rentgena caurule ir jonizējošā starojuma avots? Datortomogrāfija un fluorogrāfija ir plaši pazīstamas diagnostikas procedūras, kas tiek veiktas ar tās palīdzību. Turklāt medicīniskajā rentgenogrāfijā ir daudz izotopu avotu pielietojuma, tostarp gamma un beta avoti, kā arī eksperimentāli neitronu avoti gadījumiem, kad rentgena iekārtas ir neērtas, nepiemērotas vai var būt bīstamas. No vides viedokļa radiogrāfiskais starojums nerada risku, ja vien tā avoti ir atbildīgi un tiek pareizi iznīcināti. Šajā ziņā rādija elementu, radona adatu un rādiju saturošu luminiscējošu savienojumu vēsture nav iepriecinoša.
Biežāk izmantotie rentgenstaru avoti, kuru pamatā ir 90Srvai 147 plkst. 252Cf kā pārnēsājama neitronu ģeneratora parādīšanās ir padarījusi neitronu radiogrāfiju plaši pieejamu, lai gan kopumā šī tehnika joprojām ir ļoti atkarīga no kodolreaktoru pieejamības.
Kodolmedicīna
Galvenie vides apdraudējumi ir radioizotopu marķējumi kodolmedicīnā un rentgenstaru avoti. Nevēlamas ietekmes piemēri ir šādi:
- pacienta apstarošana;
- slimnīcas personāla apstarošana;
- iedarbība radioaktīvo zāļu transportēšanas laikā;
- ietekme ražošanas laikā;
- radioaktīvo atkritumu iedarbība.
Pēdējos gados ir vērojama tendence samazināt pakļaušanu pacienta iedarbībai, ieviešot īsāka mūža izotopus ar šaurāku iedarbību un izmantojot lokālākas zāles.
Īsāks pussabrukšanas periods samazina radioaktīvo atkritumu ietekmi, jo lielākā daļa ilgmūžīgo elementu tiek izvadīti caur nierēm.
Šķiet, ka kanalizācijas ietekme uz vidi nav atkarīga no tā, vai pacients atrodas stacionārā vai ambulatorā. Lai gan lielākā daļa izdalīto radioaktīvo elementu, visticamāk, būs īslaicīgi, kumulatīvā ietekme ievērojami pārsniedz visu atomelektrostaciju piesārņojuma līmeni kopā.
Medicīnā visbiežāk izmantotie radionuklīdi ir rentgenstaru avoti:
- 99mTc – galvaskausa un smadzeņu skenēšana, smadzeņu asins skenēšana, sirds, aknu, plaušu, vairogdziedzera skenēšana, placentas lokalizācija;
- 131I - asinis, aknu skenēšana, placentas lokalizācija, vairogdziedzera skenēšana un ārstēšana;
- 51Cr - sarkano asinsķermenīšu eksistences vai sekvestrācijas ilguma noteikšana, asins tilpums;
- 57Co - Šilinga tests;
- 32P – metastāzes kaulos.
Plašā radioimunoloģiskās analīzes procedūru, urīna analīzes un citu pētniecības metožu izmantošana, izmantojot marķētus organiskos savienojumus, ir ievērojami palielinājusi šķidro scintilācijas preparātu izmantošanu. Organiskie fosfora šķīdumi, kuru pamatā parasti ir toluols vai ksilols, veido diezgan lielu daudzumu šķidro organisko atkritumu, kas ir jālikvidē. Apstrāde šķidrā veidā ir potenciāli bīstama un videi nepieņemama. Šī iemesla dēļ priekšroka tiek dota atkritumu sadedzināšanai.
Tā kā ilgmūžīgie 3H vai 14C viegli izšķīst vidē, to iedarbība ir normas robežās. Taču kumulatīvais efekts var būt ievērojams.
Cita radionuklīdu izmantošana medicīnā ir plutonija bateriju izmantošana elektrokardiostimulatoru darbināšanai. Tūkstošiem cilvēku šodien ir dzīvi, jo šīs ierīces palīdz viņu sirdij darboties. Slēgtie 238Pu (150 GBq) avoti pacientiem tiek implantēti ķirurģiski.
Rūpnieciskie rentgenstari: avoti, īpašības, pielietojums
Medicīna nav vienīgā joma, kurā šī elektromagnētiskā spektra daļa ir atradusi pielietojumu. Rūpniecībā izmantotie radioizotopi un rentgenstaru avoti ir būtiska tehnogēnā starojuma situācijas daļa. Lietojumprogrammu piemēri:
- rūpnieciskā radiogrāfija;
- starojuma mērīšana;
- dūmu detektori;
- pašgaismojoši materiāli;
- Rentgenstaru kristalogrāfija;
- skeneri bagāžas un rokas bagāžas pārbaudei;
- rentgena lāzeri;
- sinhroni;
- ciklotroni.
Tā kā lielākā daļa šo lietojumu ir saistīti ar iekapsulētu izotopu izmantošanu, radiācijas iedarbība rodas transportēšanas, pārvietošanas, apkopes un iznīcināšanas laikā.
Vai rentgena lampa ir jonizējošā starojuma avots rūpniecībā? Jā, to izmanto lidostu nesagraujošās testēšanas sistēmās, kristālu, materiālu un konstrukciju izpētē un rūpnieciskajā kontrolē. Pēdējo desmitgažu laikā radiācijas apstarošanas devas zinātnē un rūpniecībā ir sasniegušas pusi no šī rādītāja vērtības medicīnā; tāpēc ieguldījums ir nozīmīgs.
Iekapsulētiem rentgenstaru avotiem pašiem par sevi ir maza ietekme. Taču to transportēšana un iznīcināšana ir satraucoša, ja tie tiek pazaudēti vai kļūdaini izmesti poligonā. Tādi avotiRentgenstari parasti tiek piegādāti un uzstādīti kā dubulti noslēgti diski vai cilindri. Kapsulas ir izgatavotas no nerūsējošā tērauda, un tām periodiski jāpārbauda, vai nav noplūdes. To iznīcināšana var radīt problēmas. Īslaicīgus avotus var uzglabāt un degradēt, taču pat tad tie ir pienācīgi jāuzskaita un aktīvo materiālu atlikumi ir jāiznīcina licencētā objektā. Pretējā gadījumā kapsulas jānosūta uz specializētām iestādēm. To jauda nosaka rentgenstaru avota aktīvās daļas materiālu un izmēru.
Rentgena avotu uzglabāšanas vietas
Pieaugoša problēma ir droša ekspluatācijas pārtraukšana un to rūpniecisko vietu dekontaminācija, kurās agrāk tika glabāti radioaktīvie materiāli. Tās galvenokārt ir vecākas kodolenerģijas pārstrādes iekārtas, taču ir jāiesaista citas nozares, piemēram, rūpnīcas pašgaismojošu tritija zīmju ražošanai.
Īpaša problēma ir ilgstoši zema līmeņa avoti, kas ir plaši izplatīti. Piemēram, dūmu detektoros izmanto 241Am. Papildus radonam tie ir galvenie rentgena starojuma avoti ikdienas dzīvē. Atsevišķi tie nerada nekādas briesmas, taču ievērojams skaits no tiem var radīt problēmas nākotnē.
Kodolsprādzieni
Pēdējo 50 gadu laikā ikviens ir bijis pakļauts radiācijai, ko rada kodolieroču izmēģinājumi. Viņu maksimums bija plkst1954-1958 un 1961-1962.
1963. gadā trīs valstis (PSRS, ASV un Lielbritānija) parakstīja vienošanos par daļēju kodolizmēģinājumu aizliegumu atmosfērā, okeānā un kosmosā. Nākamo divu desmitgažu laikā Francija un Ķīna veica virkni daudz mazāku testu, kas tika pārtraukti 1980. gadā. Pazemes testi joprojām tiek veikti, taču parasti tie nerada nokrišņus.
Atmosfēras testu radītais radioaktīvais piesārņojums nokrīt sprādziena vietas tuvumā. Daži no tiem paliek troposfērā, un vējš tos nes visā pasaulē tajā pašā platuma grādos. Pārvietojoties, tie nokrīt zemē, paliekot gaisā apmēram mēnesi. Taču lielākā daļa tiek nospiesta stratosfērā, kur piesārņojums saglabājas daudzus mēnešus un lēnām grimst pāri planētai.
Radioaktīvie nokrišņi ietver vairākus simtus dažādu radionuklīdu, taču tikai daži no tiem spēj ietekmēt cilvēka organismu, tāpēc to izmērs ir ļoti mazs, un sabrukšana notiek ātri. Nozīmīgākie ir C-14, Cs-137, Zr-95 un Sr-90.
Zr-95 pussabrukšanas periods ir 64 dienas, savukārt Cs-137 un Sr-90 ir aptuveni 30 gadi. Tikai ogleklis-14 ar pussabrukšanas periodu 5730 paliks aktīvs vēl tālu nākotnē.
Kodolenerģija
Kodolenerģija ir vispretrunīgākais no visiem antropogēnā starojuma avotiem, taču tā ļoti maz ietekmē cilvēka veselību. Normālas darbības laikā kodoliekārtas izdala vidē nenozīmīgu daudzumu radiācijas. 2016. gada februāris31 valstī darbojās 442 civilās darbības kodolreaktori, un vēl 66 tika būvēti. Tā ir tikai daļa no kodoldegvielas ražošanas cikla. Tas sākas ar urāna rūdas ieguvi un malšanu un turpinās ar kodoldegvielas ražošanu. Pēc izmantošanas spēkstacijās kurināmā elementi dažreiz tiek pārstrādāti, lai atgūtu urānu un plutoniju. Galu galā cikls beidzas ar kodolatkritumu apglabāšanu. Katrā šī cikla posmā var izdalīties radioaktīvie materiāli.
Apmēram puse no pasaulē iegūtās urāna rūdas tiek iegūta atklātās šahtās, bet otra puse no raktuvēm. Pēc tam to sasmalcina tuvējos drupinātājos, kas rada lielu daudzumu atkritumu – simtiem miljonu tonnu. Šie atkritumi paliek radioaktīvi miljoniem gadu pēc iekārtas darbības pārtraukšanas, lai gan radiācija ir ļoti maza dabiskā fona daļa.
Pēc tam urāns tiek pārvērsts degvielā, tālāk apstrādājot un attīrot bagātināšanas rūpnīcās. Šie procesi izraisa gaisa un ūdens piesārņojumu, taču tas ir daudz mazāks nekā citos degvielas cikla posmos.
