Źródła promieniowania rentgenowskiego. Czy lampa rentgenowska jest źródłem promieniowania jonizującego?

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 17:54

W całej historii życia na Ziemi organizmy były nieustannie narażone na promieniowanie kosmiczne i utworzone przez nie radionuklidy w atmosferze, a także promieniowanie substancji wszechobecnych w przyrodzie. Współczesne życie dostosowało się do wszystkich cech i ograniczeń środowiska, w tym naturalnych źródeł promieni rentgenowskich.

Chociaż wysokie poziomy promieniowania są z pewnością szkodliwe dla organizmów, niektóre rodzaje promieniowania są niezbędne do życia. Na przykład tło promieniowania przyczyniło się do fundamentalnych procesów ewolucji chemicznej i biologicznej. Oczywisty jest również fakt, że ciepło jądra Ziemi jest dostarczane i utrzymywane przez ciepło rozpadu pierwotnych, naturalnych radionuklidów.

Promienie kosmiczne

Promieniowanie pochodzenia pozaziemskiego, które nieustannie bombarduje Ziemię, nazywa sięspacja.

Fakt, że to przenikliwe promieniowanie dociera do naszej planety z kosmosu, a nie z Ziemi, został odkryty w eksperymentach mających na celu pomiary jonizacji na różnych wysokościach, od poziomu morza do 9000 m. Stwierdzono, że natężenie promieniowania jonizującego obniżył się do wysokości 700 m, a następnie gwałtownie wzrósł wraz ze wznoszeniem. Początkowy spadek można wytłumaczyć spadkiem intensywności ziemskich promieni gamma, a wzrost oddziaływaniem promieni kosmicznych.

Źródła promieniowania rentgenowskiego w kosmosie są następujące:

• grupy galaktyk;
• Galaktyki Seyferta;
• Słońce;
• gwiazdy;
• kwazary;
• czarne dziury;
• pozostałości po supernowej;
• białe karły;
• ciemne gwiazdy itp.

Świadectwem takiego promieniowania jest na przykład wzrost intensywności promieni kosmicznych obserwowanych na Ziemi po rozbłyskach słonecznych. Ale nasza gwiazda nie wnosi głównego wkładu w całkowity strumień, ponieważ jej dzienne wahania są bardzo małe.

Dwa rodzaje promieni

Promienie kosmiczne dzielą się na pierwotne i wtórne. Promieniowanie, które nie oddziałuje z materią w atmosferze, litosferze lub hydrosferze Ziemi, nazywa się pierwotnym. Składa się z protonów (≈ 85%) i cząstek alfa (≈ 14%), o znacznie mniejszych strumieniach (< 1%) cięższych jąder. Wtórne promieniowanie kosmiczne, którego źródłem promieniowania jest promieniowanie pierwotne i atmosfera, składa się z cząstek subatomowych, takich jak piony, miony ielektrony. Na poziomie morza prawie całe obserwowane promieniowanie składa się z wtórnych promieni kosmicznych, z których 68% to miony, a 30% to elektrony. Mniej niż 1% strumienia na poziomie morza składa się z protonów.

Pierwotne promienie kosmiczne z reguły mają ogromną energię kinetyczną. Są naładowane dodatnio i zyskują energię, przyspieszając w polach magnetycznych. W próżni kosmicznej naładowane cząstki mogą istnieć przez długi czas i podróżować przez miliony lat świetlnych. Podczas tego lotu uzyskują dużą energię kinetyczną, rzędu 2–30 GeV (1 GeV=10⁹ eV). Pojedyncze cząstki mają energie do 10^{10 GeV.}

Wysokie energie pierwotnych promieni kosmicznych pozwalają im dosłownie rozszczepiać atomy w ziemskiej atmosferze, gdy się zderzają. Wraz z neutronami, protonami i cząstkami subatomowymi mogą powstawać lekkie pierwiastki, takie jak wodór, hel i beryl. Miony są zawsze naładowane, a także szybko rozpadają się na elektrony lub pozytony.

Tarcza magnetyczna

Intensywność promieni kosmicznych gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem, aż do osiągnięcia maksimum na wysokości około 20 km. Od 20 km do granicy atmosfery (do 50 km) intensywność maleje.

Ten wzór tłumaczy się wzrostem produkcji promieniowania wtórnego w wyniku wzrostu gęstości powietrza. Na wysokości 20 km większość promieniowania pierwotnego weszła już w interakcję, a spadek intensywności z 20 km do poziomu morza odzwierciedla absorpcję promieni wtórnych.atmosfera, odpowiednik około 10 metrów wody.

Natężenie promieniowania jest również związane z szerokością geograficzną. Na tej samej wysokości kosmiczny przepływ wzrasta od równika do szerokości geograficznej 50–60° i pozostaje stały aż do biegunów. Tłumaczy się to kształtem pola magnetycznego Ziemi i rozkładem energii promieniowania pierwotnego. Linie pola magnetycznego, które rozciągają się poza atmosferę, są zwykle równoległe do powierzchni Ziemi na równiku i prostopadłe na biegunach. Naładowane cząstki z łatwością poruszają się wzdłuż linii pola magnetycznego, ale z trudem je pokonują w kierunku poprzecznym. Od biegunów do 60° praktycznie całe promieniowanie pierwotne dociera do atmosfery ziemskiej, a na równiku tylko cząstki o energiach przekraczających 15 GeV mogą przenikać przez osłonę magnetyczną.

Wtórne źródła promieniowania rentgenowskiego

W wyniku oddziaływania promieni kosmicznych z materią w sposób ciągły wytwarzana jest znaczna ilość radionuklidów. Większość z nich to fragmenty, ale część z nich powstaje w wyniku aktywacji stabilnych atomów przez neutrony lub miony. Naturalna produkcja radionuklidów w atmosferze odpowiada natężeniu promieniowania kosmicznego na wysokości i szerokości geograficznej. Około 70% z nich pochodzi ze stratosfery, a 30% z troposferze.

Z wyjątkiem H-3 i C-14, radionuklidy zwykle występują w bardzo niskich stężeniach. Tryt jest rozcieńczany i mieszany z wodą i H-2, a C-14 łączy się z tlenem, tworząc CO_{2, który miesza się z atmosferycznym dwutlenkiem węgla. Carbon-14 dostaje się do roślin poprzez fotosyntezę.}

Promieniowanie Ziemi

Spośród wielu radionuklidów, które uformowały się na Ziemi, tylko kilka ma okres półtrwania wystarczająco długi, aby wyjaśnić ich obecne istnienie. Gdyby nasza planeta powstała około 6 miliardów lat temu, ich okres połowicznego rozpadu wynosiłby co najmniej 100 milionów lat, aby pozostać w mierzalnych ilościach. Spośród dotychczas odkrytych pierwotnych radionuklidów trzy mają największe znaczenie. Źródłem promieniowania rentgenowskiego są K-40, U-238 i Th-232. Uran i tor tworzą łańcuch produktów rozpadu, które prawie zawsze znajdują się w obecności pierwotnego izotopu. Chociaż wiele potomnych nuklidów promieniotwórczych jest krótkożyciowych, są one powszechne w środowisku, ponieważ są stale tworzone z długożyciowych materiałów macierzystych.

Inne pierwotne, długowieczne źródła promieniowania rentgenowskiego, krótko mówiąc, występują w bardzo niskich stężeniach. Są to Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176 itd. Naturalnie występujące neutrony tworzą wiele innych radionuklidów, ale ich stężenie jest zwykle bardzo niskie. Kamieniołom Oklo w Gabonie w Afryce zawiera dowody na istnienie „reaktora naturalnego”, w którym zachodziły reakcje jądrowe. Ubytek U-235 i obecność produktów rozszczepienia w bogatym złożu uranu wskazuje, że około 2 miliardy lat temu miała tu miejsce spontanicznie wywołana reakcja łańcuchowa.

Chociaż pierwotne radionuklidy są wszechobecne, ich stężenie różni się w zależności od lokalizacji. GłównyRezerwuarem naturalnej radioaktywności jest litosfera. Ponadto zmienia się znacząco w litosferze. Czasami jest związany z pewnymi rodzajami związków i minerałów, czasami jest czysto regionalny, z niewielką korelacją z rodzajami skał i minerałów.

Rozmieszczenie pierwotnych radionuklidów i produktów ich rozpadu w naturalnych ekosystemach zależy od wielu czynników, w tym właściwości chemicznych nuklidów, czynników fizycznych ekosystemu oraz cech fizjologicznych i ekologicznych flory i fauny. Wietrzenie skał, ich głównego zbiornika, dostarcza do gleby U, Th i K. Produkty rozpadu Th i U również biorą udział w tym przenoszeniu. Z gleby K, Ra, trochę U i bardzo mało Th są wchłaniane przez rośliny. Wykorzystują potas-40 w taki sam sposób, jak stabilny K. Rad, produkt rozpadu U-238, jest używany przez roślinę nie dlatego, że jest izotopem, ale dlatego, że jest chemicznie zbliżony do wapnia. Pobieranie uranu i toru przez rośliny jest generalnie znikome, ponieważ te radionuklidy są zwykle nierozpuszczalne.

Radon

Najważniejszym ze wszystkich źródeł naturalnego promieniowania jest bezsmakowy, bezwonny pierwiastek, niewidzialny gaz, który jest 8 razy cięższy od powietrza, radon. Składa się z dwóch głównych izotopów - radonu-222, jednego z produktów rozpadu U-238, oraz radonu-220, powstającego podczas rozpadu Th-232.

Skały, gleba, rośliny, zwierzęta emitują radon do atmosfery. Gaz jest produktem rozpadu radu i jest wytwarzany z dowolnego materiałuktóry go zawiera. Ponieważ radon jest gazem obojętnym, może być uwalniany z powierzchni mających kontakt z atmosferą. Ilość radonu wydostająca się z danej masy skały zależy od ilości radu i pola powierzchni. Im mniejsza skała, tym więcej radonu może uwolnić. Stężenie Rn w powietrzu obok materiałów zawierających rad zależy również od prędkości powietrza. W piwnicach, jaskiniach i kopalniach, które mają słabą cyrkulację powietrza, stężenie radonu może osiągnąć znaczny poziom.

Rn rozpada się dość szybko i tworzy szereg potomnych radionuklidów. Po utworzeniu w atmosferze produkty rozpadu radonu łączą się z drobnymi cząstkami pyłu, które osadzają się na glebie i roślinach, a także są wdychane przez zwierzęta. Opady deszczu są szczególnie skuteczne w usuwaniu pierwiastków promieniotwórczych z powietrza, ale zderzenie i osadzanie się cząstek aerozolu również przyczynia się do ich osadzania.

W klimacie umiarkowanym stężenie radonu w pomieszczeniach jest średnio około 5 do 10 razy wyższe niż na zewnątrz.

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat człowiek „sztucznie” wyprodukował kilkaset radionuklidów, związanych z nimi promieni rentgenowskich, źródeł, właściwości, które mają zastosowanie w medycynie, wojsku, energetyce, oprzyrządowaniu i eksploracji minerałów.

Indywidualne efekty źródeł promieniowania wytworzonych przez człowieka są bardzo zróżnicowane. Większość ludzi otrzymuje stosunkowo niewielką dawkę sztucznego promieniowania, ale niektórzy otrzymują wiele tysięcy razy więcej promieniowania ze źródeł naturalnych. Źródła stworzone przez człowieka są lepszekontrolowane niż naturalne.

Źródła promieniowania rentgenowskiego w medycynie

W przemyśle i medycynie z reguły stosuje się wyłącznie czyste radionuklidy, co upraszcza identyfikację dróg wycieku z miejsc składowania i proces utylizacji.

Wykorzystywanie promieniowania w medycynie jest szeroko rozpowszechnione i może mieć znaczący wpływ. Obejmuje źródła promieniowania rentgenowskiego stosowane w medycynie do:

• diagnostyka;
• terapia;
• procedury analityczne;
• tempo.

Do diagnostyki wykorzystywane są zarówno źródła zamknięte, jak i szeroka gama znaczników radioaktywnych. Instytucje medyczne generalnie rozróżniają te zastosowania jako radiologia i medycyna nuklearna.

Czy lampa rentgenowska jest źródłem promieniowania jonizującego? Tomografia komputerowa i fluorografia to dobrze znane procedury diagnostyczne wykonywane za ich pomocą. Ponadto istnieje wiele zastosowań źródeł izotopów w radiografii medycznej, w tym źródła gamma i beta oraz eksperymentalne źródła neutronów w przypadkach, gdy aparaty rentgenowskie są niewygodne, nieodpowiednie lub mogą być niebezpieczne. Z punktu widzenia ochrony środowiska promieniowanie radiograficzne nie stanowi zagrożenia, o ile jego źródła są rozliczalne i odpowiednio usuwane. Pod tym względem historia pierwiastków radowych, igieł radonowych i związków luminescencyjnych zawierających rad nie jest zachęcająca.

Powszechnie używane źródła promieniowania rentgenowskiego na podstawie ⁹⁰Srlub ¹⁴⁷ Pm. Pojawienie się ^{252Cf jako przenośnego generatora neutronów sprawiło, że radiografia neutronowa stała się powszechnie dostępna, chociaż ogólnie technika ta jest nadal w dużym stopniu zależna od dostępności reaktorów jądrowych.}

Medycyna nuklearna

Główne zagrożenia dla środowiska to etykiety radioizotopowe w medycynie nuklearnej i źródła promieniowania rentgenowskiego. Przykłady niepożądanych wpływów są następujące:

• napromienianie pacjenta;
• napromienianie personelu szpitala;
• narażenie podczas transportu radioaktywnych środków farmaceutycznych;
• wpływ podczas produkcji;
• narażenie na odpady radioaktywne.

W ostatnich latach pojawiła się tendencja do zmniejszania narażenia pacjentów poprzez wprowadzanie krócej żyjących izotopów o węższym działaniu i stosowanie bardziej zlokalizowanych leków.

Krótszy okres półtrwania zmniejsza wpływ odpadów radioaktywnych, ponieważ większość długożyciowych pierwiastków jest wydalana przez nerki.

Wydaje się, że wpływ kanalizacji na środowisko nie zależy od tego, czy pacjent jest hospitalizowany, czy ambulatoryjny. Podczas gdy większość uwolnionych pierwiastków promieniotwórczych prawdopodobnie będzie krótkotrwała, skumulowany efekt znacznie przekracza poziomy zanieczyszczenia wszystkich elektrowni jądrowych łącznie.

Najczęściej stosowanymi radionuklidami w medycynie są źródła promieniowania rentgenowskiego:

• 99mTc – skanowanie czaszki i mózgu, badanie krwi mózgowej, serce, wątroba, płuca, badanie tarczycy, lokalizacja łożyska;
• 131I - krew, badanie wątroby, lokalizacja łożyska, badanie tarczycy i leczenie;
• 51Cr - określenie czasu istnienia czerwonych krwinek lub sekwestracja, objętość krwi;
• 57Co - test Schillinga;
• 32P – przerzuty do kości.

Szerokie zastosowanie procedur radioimmunologicznych, analizy moczu i innych metod badawczych wykorzystujących znakowane związki organiczne znacznie zwiększyło zastosowanie płynnych preparatów scyntylacyjnych. Roztwory fosforu organicznego, zazwyczaj oparte na toluenie lub ksylenie, stanowią dość dużą ilość płynnych odpadów organicznych, które należy utylizować. Przetwarzanie w postaci płynnej jest potencjalnie niebezpieczne i niedopuszczalne dla środowiska. Z tego powodu preferowane jest spalanie odpadów.

Ponieważ długowieczne ³H lub ^{14C łatwo rozpuszczają się w środowisku, ich ekspozycja mieści się w normalnym zakresie. Ale skumulowany efekt może być znaczący.}

Kolejnym zastosowaniem radionuklidów w medycynie jest użycie baterii plutonu do zasilania rozruszników serca. Tysiące ludzi żyje dzisiaj, ponieważ te urządzenia pomagają funkcjonować ich sercom. Zamknięte źródła 238Pu (150 GBq) są chirurgicznie wszczepiane pacjentom.

Przemysłowe promieniowanie rentgenowskie: źródła, właściwości, zastosowania

Medycyna nie jest jedyną dziedziną, w której ta część widma elektromagnetycznego znalazła zastosowanie. Radioizotopy i źródła promieniowania rentgenowskiego stosowane w przemyśle są istotną częścią sytuacji związanej z promieniowaniem technogenicznym. Przykłady zastosowań:

• radiografia przemysłowa;
• pomiar promieniowania;
• czujniki dymu;
• materiały samoświetlne;
• Krystalografia rentgenowska;
• skanery do kontroli bagażu i bagażu podręcznego;
• lasery rentgenowskie;
• synchrotrony;
• cyklotrony.

Ponieważ większość z tych zastosowań wykorzystuje kapsułkowane izotopy, narażenie na promieniowanie występuje podczas transportu, przenoszenia, konserwacji i utylizacji.

Czy lampa rentgenowska jest źródłem promieniowania jonizującego w przemyśle? Tak, jest stosowany w lotniskowych systemach badań nieniszczących, w badaniu kryształów, materiałów i struktur oraz w kontroli przemysłowej. W ciągu ostatnich dziesięcioleci dawki promieniowania w nauce i przemyśle osiągnęły połowę wartości tego wskaźnika w medycynie; stąd wkład jest znaczący.

Zamknięte źródła promieniowania rentgenowskiego same w sobie mają niewielki wpływ. Jednak ich transport i utylizacja są niepokojące, gdy zostaną zgubione lub omyłkowo wyrzucone na wysypisko śmieci. Takie źródłaPromienie rentgenowskie są zwykle dostarczane i instalowane jako podwójnie uszczelnione dyski lub cylindry. Kapsułki są wykonane ze stali nierdzewnej i wymagają okresowej kontroli szczelności. Ich utylizacja może stanowić problem. Źródła o krótkim czasie życia mogą być przechowywane i degradowane, ale nawet wtedy należy je odpowiednio uwzględnić, a pozostały materiał aktywny należy usunąć w licencjonowanym zakładzie. W przeciwnym razie kapsułki należy wysłać do wyspecjalizowanych instytucji. Ich moc określa materiał i wielkość aktywnej części źródła promieniowania rentgenowskiego.

Miejsca przechowywania źródeł promieniowania rentgenowskiego

Narastającym problemem jest bezpieczna likwidacja i odkażanie terenów przemysłowych, w których w przeszłości przechowywano materiały radioaktywne. Są to w większości starsze zakłady przetwarzania nuklearnego, ale muszą być zaangażowane inne branże, takie jak zakłady do produkcji samoświecących się znaków trytu.

Szczególny problem stanowią długowieczne źródła niskiego poziomu, które są szeroko rozpowszechnione. Na przykład 241Am jest używany w czujnikach dymu. Oprócz radonu są to główne źródła promieniowania rentgenowskiego w życiu codziennym. Pojedynczo nie stanowią one żadnego zagrożenia, jednak znaczna ich liczba może stanowić problem w przyszłości.

Wybuchy jądrowe

W ciągu ostatnich 50 lat wszyscy byli narażeni na promieniowanie z opadu spowodowanego testami broni jądrowej. Ich szczyt był w1954-1958 i 1961-1962.

W 1963 roku trzy kraje (ZSRR, USA i Wielka Brytania) podpisały porozumienie o częściowym zakazie prób jądrowych w atmosferze, oceanie i przestrzeni kosmicznej. W ciągu następnych dwóch dekad Francja i Chiny przeprowadziły serię znacznie mniejszych testów, które zakończyły się w 1980 roku. Testy podziemne wciąż trwają, ale generalnie nie powodują opadów.

Skażenie radioaktywne z prób atmosferycznych spada w pobliżu miejsca wybuchu. Niektóre z nich pozostają w troposferze i są niesione przez wiatr dookoła świata na tej samej szerokości geograficznej. Gdy się poruszają, spadają na ziemię, pozostając w powietrzu przez około miesiąc. Jednak większość zostaje zepchnięta do stratosfery, gdzie zanieczyszczenia utrzymują się przez wiele miesięcy i powoli opadają na całą planetę.

Opad radioaktywny obejmuje kilkaset różnych radionuklidów, ale tylko kilka z nich jest w stanie oddziaływać na ludzkie ciało, więc ich rozmiar jest bardzo mały, a rozpad jest szybki. Najważniejsze z nich to C-14, Cs-137, Zr-95 i Sr-90.

Zr-95 ma okres półtrwania 64 dni, podczas gdy Cs-137 i Sr-90 mają około 30 lat. Tylko węgiel-14, o okresie półtrwania wynoszącym 5730, pozostanie aktywny w dalekiej przyszłości.

Energia jądrowa

Energetyka jądrowa jest najbardziej kontrowersyjną ze wszystkich antropogenicznych źródeł promieniowania, ale w niewielkim stopniu wpływa na ludzkie zdrowie. Podczas normalnej eksploatacji obiekty jądrowe emitują do środowiska znikome ilości promieniowania. Luty 2016W 31 krajach działały 442 cywilne reaktory jądrowe, a 66 kolejnych było w trakcie budowy. To tylko część cyklu produkcyjnego paliwa jądrowego. Rozpoczyna się od wydobycia i mielenia rudy uranu i kontynuuje produkcję paliwa jądrowego. Po zastosowaniu w elektrowniach ogniwa paliwowe są czasami ponownie przetwarzane w celu odzyskania uranu i plutonu. W końcu cykl kończy się utylizacją odpadów promieniotwórczych. Na każdym etapie tego cyklu mogą być uwalniane materiały radioaktywne.

Około połowa światowej produkcji rudy uranu pochodzi z odkrywek, a druga połowa z kopalń. Jest następnie kruszony w pobliskich kruszarkach, które produkują dużą ilość odpadów – setki milionów ton. Odpady te pozostają radioaktywne przez miliony lat po zakończeniu działalności elektrowni, chociaż promieniowanie stanowi bardzo małą część naturalnego tła.

Następnie uran jest przekształcany w paliwo poprzez dalsze przetwarzanie i oczyszczanie w zakładach wzbogacania. Procesy te prowadzą do zanieczyszczenia powietrza i wody, ale są one znacznie mniejsze niż na innych etapach cyklu paliwowego.