Źródło radioaktywne to pewna ilość radionuklidu, który emituje promieniowanie jonizujące. Te ostatnie zwykle obejmują promienie gamma, cząstki alfa i beta oraz promieniowanie neutronowe.
Rola źródeł
Mogą być używane do napromieniania, gdy promieniowanie pełni funkcję jonizującą, lub jako źródło promieniowania metrologicznego do kalibracji procesu i oprzyrządowania radiometrycznego. Służą również do monitorowania procesów przemysłowych, takich jak pomiar grubości w przemyśle papierniczym i stalowym. Źródła mogą być zamknięte w pojemniku (promieniowanie silnie penetrujące) lub umieszczone na powierzchni (promieniowanie słabo penetrujące) lub w cieczy.
Znaczenie i zastosowanie
Jako źródło promieniowania są wykorzystywane w medycynie do radioterapii oraz w przemyśle do radiografii, napromienianiażywność, sterylizacja, zwalczanie szkodników i sieciowanie napromienianiem PCV.
Radionuklidy
Radionuklidy są dobierane zgodnie z rodzajem i charakterem promieniowania, jego intensywnością i okresem półtrwania. Powszechnymi źródłami radionuklidów są kob alt-60, iryd-192 i stront-90. Miarą wielkości aktywności źródła SI jest Becquerel, chociaż historyczna jednostka Curie jest nadal częściowo używana, na przykład w USA, mimo że US NIST zdecydowanie zaleca stosowanie jednostki SI. Ze względów zdrowotnych jest to obowiązkowe w UE.
Czas życia
Źródło promieniowania zwykle żyje od 5 do 15 lat, zanim jego aktywność spadnie do bezpiecznego poziomu. Jednakże, gdy dostępne są radionuklidy o długim okresie półtrwania, można ich używać jako narzędzi kalibracyjnych przez znacznie dłuższy czas.
Zamknięte i ukryte
Wiele radioaktywnych źródeł jest zamkniętych. Oznacza to, że są one trwale albo całkowicie zawarte w kapsułce, albo mocno związane z powierzchnią ciała stałego. Kapsułki są zwykle wykonane ze stali nierdzewnej, tytanu, platyny lub innego metalu obojętnego. Zastosowanie zamkniętych źródeł eliminuje praktycznie całe ryzyko rozproszenia materiału radioaktywnego do środowiska w wyniku niewłaściwego obchodzenia się z nim, ale pojemnik nie jest zaprojektowany do tłumienia promieniowania, dlatego wymagane jest dodatkowe ekranowanie w celu ochrony przed promieniowaniem. Zamknięte są również używane w prawie wszystkich przypadkach, gdy niewymagane jest chemiczne lub fizyczne włączenie do cieczy lub gazu.
Zamknięte źródła są klasyfikowane przez MAEA zgodnie z ich działalnością w odniesieniu do minimalnie niebezpiecznego obiektu radioaktywnego (który może powodować znaczne szkody dla ludzi). Stosowany stosunek to A/D, gdzie A to aktywność źródłowa, a D to minimalna niebezpieczna aktywność.
Należy pamiętać, że źródła o wystarczająco niskiej wydajności radioaktywnej (takie jak te stosowane w czujnikach dymu), aby nie zaszkodzić ludziom, nie są klasyfikowane.
Kapsułki
Źródła kapsułowe, w których promieniowanie skutecznie pochodzi z punktu, są wykorzystywane do kalibracji instrumentów beta, gamma i rentgenowskich. Ostatnio nie cieszą się popularnością zarówno jako obiekty przemysłowe, jak i jako obiekty do nauki.
Sprężyny płytowe
Są one szeroko stosowane do kalibracji instrumentów do skażenia radioaktywnego. Oznacza to, że w rzeczywistości pełnią rolę swego rodzaju cudownych liczników.
W przeciwieństwie do źródła kapsułowego, tło emitowane przez źródło płytowe musi znajdować się na powierzchni, aby zapobiec blaknięciu pojemnika lub samoosłonie ze względu na charakter materiału. Jest to szczególnie ważne w przypadku cząstek alfa, które z łatwością zatrzymuje niewielka masa. Krzywa Bragga pokazuje efekt tłumienia w powietrzu atmosferycznym.
Nieotwarte
Źródła nieotwarte to takie, które nie znajdują się w trwale zamkniętym pojemniku i są szeroko stosowane do celów medycznych. Mają zastosowanie w przypadkachgdy źródło musi zostać rozpuszczone w płynie do wstrzyknięcia pacjentowi lub do spożycia. Są one również wykorzystywane w przemyśle w podobny sposób do wykrywania wycieków jako znacznik radioaktywny.
Recykling i aspekty środowiskowe
Utylizacja przeterminowanych źródeł promieniotwórczych stwarza podobne problemy jak unieszkodliwianie innych odpadów promieniotwórczych, chociaż w mniejszym stopniu. Zużyte źródła niskoaktywne będą czasami na tyle nieaktywne, że można je unieszkodliwić przy użyciu normalnych metod unieszkodliwiania odpadów, zwykle na składowiskach. Inne metody unieszkodliwiania są podobne do tych stosowanych w przypadku odpadów promieniotwórczych o wyższym poziomie, wykorzystując różne głębokości odwiertu w zależności od aktywności odpadów.
Dobrze znanym przypadkiem nieostrożnego obchodzenia się z takim przedmiotem był wypadek w Goianii, który doprowadził do śmierci kilku osób.
Promieniowanie tła
Promieniowanie tła jest zawsze obecne na Ziemi. Większość promieniowania tła pochodzi w sposób naturalny z minerałów, podczas gdy niewielka część pochodzi z elementów wytworzonych przez człowieka. Naturalne minerały promieniotwórcze w ziemi, glebie i wodzie wytwarzają promieniowanie tła. Ciało ludzkie zawiera nawet niektóre z tych naturalnych minerałów radioaktywnych. Promieniowanie kosmiczne ma również wpływ na otaczające nas promieniowanie tła. Mogą występować duże różnice w naturalnym poziomie promieniowania tła w zależności od miejsca, a także zmiany w tym samym miejscu w czasie. Naturalne radioizotopy są bardzo silnym tłememitery.
Promieniowanie kosmiczne
Promieniowanie kosmiczne pochodzi z niezwykle energetycznych cząstek ze Słońca i gwiazd, które wnikają w ziemską atmosferę. Oznacza to, że te ciała niebieskie można nazwać źródłami promieniowania radioaktywnego. Niektóre cząstki uderzają w ziemię, podczas gdy inne oddziałują z atmosferą, tworząc różne rodzaje promieniowania. Poziomy rosną, gdy zbliżasz się do radioaktywnego obiektu, więc ilość promieniowania kosmicznego zwykle wzrasta proporcjonalnie do wznoszenia. Im wyższa wysokość, tym wyższa dawka. To dlatego osoby mieszkające w Denver w stanie Kolorado (5280 stóp) otrzymują wyższą roczną dawkę promieniowania z promieniowania kosmicznego niż ktokolwiek mieszkający na poziomie morza (0 stóp).
Wydobycie uranu w Rosji pozostaje kontrowersyjnym i „gorącym” tematem, ponieważ ta praca jest niezwykle niebezpieczna. Naturalnie uran i tor znajdujące się w ziemi nazywane są radionuklidami pierwotnymi i są źródłem promieniowania ziemskiego. Śladowe ilości uranu, toru i produktów ich rozpadu można znaleźć wszędzie. Dowiedz się więcej o rozpadzie radioaktywnym. Poziomy promieniowania ziemskiego różnią się w zależności od lokalizacji, ale obszary o wyższym stężeniu uranu i toru w glebach powierzchniowych zazwyczaj doświadczają wyższych poziomów dawek. Dlatego ludzie zaangażowani w wydobycie uranu w Rosji są narażeni na duże ryzyko.
Promieniowanie i ludzie
Ślady substancji radioaktywnych można znaleźć w ludzkim ciele (głównie naturalny potas-40). Pierwiastek znajduje się w żywności, glebie i wodzie, które myzaakceptować. Nasze ciała zawierają niewielkie ilości promieniowania, ponieważ organizm w ten sam sposób metabolizuje nieradioaktywne i radioaktywne formy potasu i innych pierwiastków.
Niewielka część promieniowania tła pochodzi z działalności człowieka. Śladowe ilości pierwiastków promieniotwórczych zostały rozprowadzone do środowiska w wyniku testów broni jądrowej i wypadków, takich jak ten, który miał miejsce w elektrowni jądrowej w Czarnobylu na Ukrainie. Reaktory jądrowe uwalniają niewielkie ilości pierwiastków promieniotwórczych. Materiały radioaktywne stosowane w przemyśle, a nawet w niektórych produktach konsumenckich również emitują niewielkie ilości promieniowania tła.
Wszyscy jesteśmy codziennie narażeni na promieniowanie pochodzące z naturalnych źródeł, takich jak minerały w ziemi i źródeł wytworzonych przez człowieka, takich jak medyczne promieniowanie rentgenowskie. Według National Council on Radiation Protection and Measurement (NCRP) średnia roczna ekspozycja ludzi na promieniowanie w Stanach Zjednoczonych wynosi 620 miliremów (6,2 milisiwertów).
W naturze
Substancje radioaktywne często występują w przyrodzie. Niektóre z nich znajdują się w glebie, skałach, wodzie, powietrzu i roślinności, skąd są wdychane i połykane. Oprócz tego wewnętrznego narażenia ludzie są również narażeni na zewnętrzne narażenie od materiałów radioaktywnych, które pozostają na zewnątrz ciała, oraz od promieniowania kosmicznego z kosmosu. Średnia dzienna naturalna dawka dla ludzi wynosi około 2,4 mSv (240 mrem) rocznie.
To cztery razy więcejśrednia globalna ekspozycja na sztuczne promieniowanie na świecie, która w 2008 roku wynosiła około 0,6 mrem (60 Rem) rocznie. W niektórych bogatych krajach, takich jak Stany Zjednoczone i Japonia, sztuczna ekspozycja przewyższa przeciętnie naturalną ekspozycję ze względu na większy dostęp do określonych instrumentów medycznych. W Europie średnia ekspozycja tła naturalnego w różnych krajach waha się od 2 mSv (200 mrem) rocznie w Wielkiej Brytanii do ponad 7 mSv (700 mrem) dla niektórych grup osób w Finlandii.
Codzienna ekspozycja
Ekspozycja ze źródeł naturalnych jest integralną częścią codziennego życia zarówno w pracy, jak iw miejscach publicznych. Takie narażenia są w większości przypadków niewielkie lub nie budzą żadnego zainteresowania publicznego, ale w niektórych sytuacjach należy wziąć pod uwagę środki ochrony zdrowia, na przykład podczas pracy z rudami uranu i toru oraz innymi naturalnie występującymi materiałami promieniotwórczymi (NORM). Sytuacje te stały się w ostatnich latach w centrum uwagi Agencji. I to, nie wspominając o przykładach wypadków z uwolnieniem substancji promieniotwórczych, takich jak katastrofa w elektrowni atomowej w Czarnobylu i w Fukushimie, które zmusiły naukowców i polityków na całym świecie do zrewidowania swojego stosunku do „pokojowego atomu”.
Promieniowanie ziemi
Promieniowanie ziemskie obejmuje tylko źródła, które pozostają na zewnątrz ciała. Ale jednocześnie nadal są niebezpiecznymi radioaktywnymi źródłami promieniowania. Głównymi radionuklidami będącymi przedmiotem zainteresowania są potas, uran i tor, produkty ich rozpadu. Iniektóre, takie jak rad i radon, są wysoce radioaktywne, ale występują w niskich stężeniach. Liczba tych obiektów została nieubłaganie zmniejszona od czasu powstania Ziemi. Obecna aktywność radiacyjna związana z obecnością uranu-238 jest o połowę mniejsza niż na początku istnienia naszej planety. Wynika to z jego okresu półtrwania wynoszącego 4,5 miliarda lat, a dla potasu-40 (okres półtrwania wynoszący 1,25 miliarda lat) jest to tylko około 8% oryginału. Ale w czasie istnienia ludzkości ilość promieniowania bardzo nieznacznie spadła.
Wiele izotopów o krótszym okresie półtrwania (a zatem wysokiej radioaktywności) nie uległo rozkładowi z powodu ich ciągłej naturalnej produkcji. Przykładami tego są rad-226 (produkt rozpadu toru-230 w łańcuchu rozpadu uranu-238) i radon-222 (produkt rozpadu radu-226 w tym łańcuchu).
Tor i uran
Radioaktywne pierwiastki chemiczne, tor i uran, w większości ulegają rozpadowi alfa i beta i nie są łatwe do wykrycia. To czyni je bardzo niebezpiecznymi. To samo można jednak powiedzieć o promieniowaniu protonowym. Jednak wiele ich bocznych pochodnych tych pierwiastków jest również silnymi emiterami gamma. Tor-232 jest wykrywany z pikiem 239 keV od ołowiu-212, 511, 583 i 2614 keV od talu-208 i 911 oraz 969 keV od aktynu-228. Radioaktywny pierwiastek chemiczny Uran-238 pojawia się jako piki bizmutu-214 przy 609, 1120 i 1764 keV (patrz ten sam pik dla radonu atmosferycznego). Potas-40 jest wykrywany bezpośrednio przez pik gamma 1461keV.
Poziom nad morzem i innymi dużymi zbiornikami wodnymi wynosi około jednej dziesiątej tła Ziemi. Odwrotnie, obszary przybrzeżne (i regiony w pobliżu słodkiej wody) mogą mieć dodatkowy wkład z rozproszonych osadów.
Radon
Największym źródłem promieniowania radioaktywnego w przyrodzie jest radon, radioaktywny gaz uwalniany z ziemi. Radon i jego izotopy, macierzyste nuklidy promieniotwórcze i produkty rozpadu przyczyniają się do średniej dawki wdychanej 1,26 mSv/rok (milisiwert na rok). Radon jest rozłożony nierównomiernie i zmienia się wraz z pogodą, dlatego w wielu częściach świata stosuje się znacznie wyższe dawki, gdzie stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia. Stężenia 500 razy wyższe niż średnia światowa stwierdzono wewnątrz budynków w Skandynawii, Stanach Zjednoczonych, Iranie i Czechach. Radon to produkt rozpadu uranu, który jest stosunkowo powszechny w skorupie ziemskiej, ale bardziej skoncentrowany w skałach rudonośnych rozsianych po całym świecie. Radon wycieka z tych rud do atmosfery lub wód gruntowych, a także przenika do budynków. Może być wdychany do płuc wraz z produktami rozpadu, gdzie pozostaną przez pewien czas po ekspozycji. Z tego powodu radon jest klasyfikowany jako naturalne źródło promieniowania.
Ekspozycja na radon
Chociaż radon występuje w sposób naturalny, jego działanie może być zwiększone lub zmniejszone przez działania człowieka, takie jak budowa domu. Źle uszczelniona piwnicaDobrze izolowany dom może prowadzić do gromadzenia się radonu w domu, narażając na niebezpieczeństwo jego mieszkańców. Powszechna budowa dobrze izolowanych i uszczelnionych domów w uprzemysłowionych krajach północy spowodowała, że radon stał się głównym źródłem promieniowania tła w niektórych społecznościach północnej Ameryki Północnej i Europy. Niektóre materiały budowlane, takie jak lekki beton z dodatkiem ałunu łupkowego, fosfogipsu i tufu włoskiego, mogą uwalniać radon, jeśli zawierają rad i są porowate dla gazu.
Narażenie na promieniowanie z radonu jest pośrednie. Radon ma krótki okres półtrwania (4 dni) i rozpada się na inne stałe cząstki nuklidów promieniotwórczych serii radu. Te pierwiastki promieniotwórcze są wdychane i pozostają w płucach, powodując przedłużoną ekspozycję. Dlatego uważa się, że radon jest drugą po paleniu najczęstszą przyczyną raka płuc i odpowiada za od 15 000 do 22 000 zgonów z powodu raka w samych Stanach Zjednoczonych. Jednak dyskusja na temat przeciwnych wyników eksperymentalnych wciąż trwa.
Większość tła atmosferycznego jest spowodowana radonem i produktami jego rozpadu. Widmo gamma wykazuje zauważalne piki przy 609, 1120 i 1764 keV, które należą do bizmutu-214, produktu rozpadu radonu. Tło atmosferyczne silnie zależy od kierunku wiatru i warunków meteorologicznych. Radon może również być uwalniany z ziemi w seriach, a następnie tworzyć „chmury radonowe”, które mogą przebyć dziesiątki kilometrów.
Tło kosmiczne
Ziemia i wszystkie żyjące na niej stworzenia są stalebombardowany przez promieniowanie z kosmosu. Promieniowanie to składa się głównie z dodatnio naładowanych jonów, od protonów po żelazo, oraz większych jąder wytwarzanych poza naszym Układem Słonecznym. Promieniowanie to oddziałuje z atomami w atmosferze, tworząc wtórny przepływ powietrza, w tym promieniowanie rentgenowskie, miony, protony, cząstki alfa, piony, elektrony i neutrony.
Bezpośrednia dawka promieniowania kosmicznego pochodzi głównie z mionów, neutronów i elektronów i zmienia się w różnych częściach świata w zależności od pola geomagnetycznego i wysokości. Na przykład miasto Denver w Stanach Zjednoczonych (na wysokości 1650 metrów) otrzymuje około dwukrotnie większą dawkę promieniowania kosmicznego niż w punkcie na poziomie morza.
Promieniowanie to jest znacznie silniejsze w górnej troposferze w odległości około 10 km i dlatego jest szczególnie niepokojące dla członków załogi i zwykłych pasażerów, którzy spędzają wiele godzin w roku w tym środowisku. Według różnych badań, podczas lotów załogi linii lotniczych zazwyczaj otrzymują dodatkową dawkę zawodową w zakresie od 2,2 mSv (220 mrem) rocznie do 2,19 mSv/rok.
Promieniowanie na orbicie
Podobnie promienie kosmiczne powodują większą ekspozycję tła dla astronautów niż dla ludzi na powierzchni Ziemi. Astronauci pracujący na niskich orbitach, tacy jak pracownicy międzynarodowych stacji kosmicznych czy wahadłowców, są częściowo chronieni przez ziemskie pole magnetyczne, ale także cierpią na tzw. pas Van Allena, który jest efektem działania ziemskiego pola magnetycznego. Poza niską orbitą okołoziemską, jakdoświadczane przez astronautów Apollo podróżujących na Księżyc, to promieniowanie tła jest znacznie bardziej intensywne i stanowi istotną barierę dla potencjalnej przyszłej długoterminowej eksploracji Księżyca lub Marsa przez ludzi.
Wpływy kosmiczne powodują również transmutację pierwiastków w atmosferze, w której generowane przez nie promieniowanie wtórne łączy się z jądrami atomowymi w atmosferze, tworząc różne nuklidy. Można wytworzyć wiele tak zwanych nuklidów kosmogenicznych, ale prawdopodobnie najbardziej godnym uwagi jest węgiel-14, który powstaje w wyniku interakcji z atomami azotu. Te kosmogeniczne nuklidy ostatecznie docierają do powierzchni Ziemi i mogą zostać włączone do żywych organizmów. Produkcja tych nuklidów zmienia się nieznacznie podczas krótkotrwałych metamorfoz strumieni słonecznych, ale uważa się, że jest praktycznie stała w dużej skali – od tysięcy do milionów lat. Ciągła produkcja, włączanie i stosunkowo krótki okres półtrwania węgla-14 to zasady stosowane w datowaniu radiowęglowym starożytnych materiałów biologicznych, takich jak drewniane artefakty lub szczątki ludzkie.
Promienie gamma
Promieniowanie kosmiczne na poziomie morza zwykle pojawia się jako promieniowanie gamma o energii 511 keV pochodzące z anihilacji pozytonów, powstałej w wyniku reakcji jądrowych wysokoenergetycznych cząstek i promieni gamma. Na dużych wysokościach istnieje również udział ciągłego spektrum bremsstrahlung. Dlatego wśród naukowców kwestia promieniowania słonecznego i bilansu promieniowania jest uważana za bardzo ważną.
Promieniowanie wewnątrz ciała
Dwa najważniejsze pierwiastki, które składają się na ludzkie ciało, a mianowicie potas i węgiel, zawierają izotopy, które znacznie zwiększają naszą dawkę promieniowania tła. Oznacza to, że mogą być również źródłem promieniowania radioaktywnego.
Niebezpieczne pierwiastki i związki chemiczne mają tendencję do gromadzenia się. Przeciętne ludzkie ciało zawiera około 17 miligramów potasu-40 (40K) i około 24 nanogramów (10-8 g) węgla-14 (14C) (okres półtrwania - 5730 lat). Wyłączając wewnętrzne skażenie zewnętrznymi materiałami promieniotwórczymi, te dwa pierwiastki są największymi składnikami wewnętrznego narażenia na biologicznie funkcjonalne składniki ludzkiego ciała. Około 4000 jąder rozpada się przy 40K na sekundę i tyle samo w 14C. Energia cząstek beta utworzonych w 40K jest około 10 razy większa niż energia cząstek beta utworzonych w 14C.
14C występuje w ludzkim ciele w ilości około 3700 Bq (0,1 µCi) z biologicznym okresem półtrwania wynoszącym 40 dni. Oznacza to, że rozpad 14C wytwarza około 3700 cząstek beta na sekundę. Około połowa ludzkich komórek zawiera atom 14C.
Globalna średnia wewnętrzna dawka radionuklidów innych niż radon i produkty jego rozpadu wynosi 0,29 mSv/rok, z czego 0,17 mSv/rok w 40K, 0,12 mSv/rok pochodzi z szeregu uranu i toru, a 12 μSv/rok rok - od 14C. Warto również zauważyć, że często stosowane są również medyczne aparaty rentgenowskieradioaktywne, ale ich promieniowanie nie jest niebezpieczne dla ludzi.
