Maapallon elämänhistorian ajan organismit ovat jatkuvasti altistuneet kosmisille säteille ja niiden ilmakehässä muodostamille radionuklideille sekä luonnossa kaikkialla esiintyvien aineiden säteilylle. Nykyaikainen elämä on sopeutunut kaikkiin ympäristön ominaisuuksiin ja rajoituksiin, mukaan lukien luonnolliset röntgensäteiden lähteet.
Vaikka korkea säteilytaso on varmasti haitallista organismeille, tietyntyyppinen säteily on välttämätöntä elämälle. Esimerkiksi säteilytausta vaikutti kemiallisen ja biologisen evoluution perusprosesseihin. On myös ilmeistä, että maapallon ytimen lämmön tuottaa ja ylläpitää primääristen, luonnollisten radionuklidien hajoamylämmöt.
Kosmiset säteet
Maapalloa jatkuvasti pommittava avaruusperäinen säteily on ns.välilyönti.
Se tosiasia, että tämä läpäisevä säteily saapuu planeetallemme ulkoavaruudesta, ei Maasta, havaittiin kokeissa, joilla mitattiin ionisaatiota eri korkeuksilla merenpinnasta 9000 metriin. Ionisoivan säteilyn voimakkuus havaittiin laski 700 metrin korkeuteen ja kasvoi sitten nopeasti nousun myötä. Alkuperäinen lasku voidaan selittää maanpäällisten gammasäteiden intensiteetin vähenemisellä ja kosmisten säteiden toiminnan lisääntymisellä.
Röntgenlähteet avaruudessa ovat seuraavat:
- galaksiryhmät;
- Seyfertin galaksit;
- aurinko;
- tähdet;
- kvasaarit;
- mustat aukot;
- supernovajäännökset;
- valkoiset kääpiöt;
- tummat tähdet jne.
Todisteena tällaisesta säteilystä on esimerkiksi maapallolla havaittu kosmisten säteiden voimakkuuden kasvu auringonpurkausten jälkeen. Mutta tähtemme ei vaikuta pääosaan kokonaisvuon suhteen, koska sen päivittäiset vaihtelut ovat hyvin pieniä.
Kaksi tyyppistä säteitä
Kosmiset säteet jaetaan ensisijaiseen ja toissijaiseen. Säteilyä, joka ei ole vuorovaikutuksessa Maan ilmakehän, litosfäärin tai hydrosfäärin aineen kanssa, kutsutaan primääriseksi. Se koostuu protoneista (≈ 85 %) ja alfahiukkasista (≈ 14 %), ja raskaampien ytimien virtaukset ovat paljon pienempiä (< 1 %). Toissijaiset kosmiset röntgensäteet, joiden säteilylähteitä ovat primäärisäteily ja ilmakehä, koostuvat subatomisista hiukkasista, kuten pioneista, myoneista jaelektroneja. Merenpinnalla lähes kaikki havaittu säteily koostuu sekundaarisista kosmisista säteistä, joista 68 % on myoneja ja 30 % elektroneja. Alle 1 % merenpinnan virrasta koostuu protoneista.
Primäärisillä kosmisilla säteillä on yleensä v altava kineettinen energia. Ne ovat positiivisesti varautuneita ja saavat energiaa kiihtyessään magneettikentissä. Ulkoavaruuden tyhjiössä varautuneet hiukkaset voivat olla olemassa pitkään ja kulkea miljoonia valovuosia. Tämän lennon aikana ne saavuttavat korkean liike-energian, luokkaa 2–30 GeV (1 GeV=109 eV). Yksittäisten hiukkasten energiat ovat jopa 1010 GeV.
Primaaristen kosmisten säteiden suuret energiat mahdollistavat niiden kirjaimellisesti halkeavan atomeja maapallon ilmakehässä törmätessään. Neutronien, protonien ja subatomisten hiukkasten ohella voi muodostua kevyitä alkuaineita, kuten vetyä, heliumia ja berylliumia. Muonit ovat aina varattuja ja myös hajoavat nopeasti elektroneiksi tai positroneiksi.
Magnetic Shield
Kosmisen säteiden intensiteetti kasvaa jyrkästi nousun myötä, kunnes se saavuttaa maksiminsa noin 20 km:n korkeudessa. 20 km:stä ilmakehän rajalle (jopa 50 km) intensiteetti laskee.
Tämä kuvio selittyy sekundäärisen säteilyn tuotannon lisääntymisellä ilman tiheyden lisääntymisen seurauksena. 20 km korkeudessa suurin osa primäärisäteilystä on jo vuorovaikutuksessa, ja intensiteetin lasku 20 km:stä merenpinnan tasolle heijastaa sekundäärisäteiden absorptiota.ilmakehään, joka vastaa noin 10 metriä vettä.
Säteilyn intensiteetti liittyy myös leveysasteeseen. Samalla korkeudella kosminen virtaus kasvaa päiväntasaaj alta leveysasteelle 50–60° ja pysyy vakiona napoihin saakka. Tämä selittyy Maan magneettikentän muodolla ja primäärisäteilyn energian jakautumisella. Ilmakehän ulkopuolelle ulottuvat magneettikenttäviivat ovat yleensä yhdensuuntaisia maanpinnan kanssa päiväntasaajalla ja kohtisuorassa navoissa. Varautuneet hiukkaset liikkuvat helposti magneettikentän linjoja pitkin, mutta tuskin ylittävät sitä poikittaissuunnassa. Napasta 60°:een käytännöllisesti katsoen kaikki primäärisäteily saavuttaa Maan ilmakehän, ja päiväntasaajalla vain hiukkaset, joiden energia on yli 15 GeV, voivat läpäistä magneettisuojan.
Toissijaiset röntgenlähteet
Kosmisen säteiden ja aineen vuorovaikutuksen seurauksena syntyy jatkuvasti huomattava määrä radionuklideja. Suurin osa niistä on fragmentteja, mutta osa niistä muodostuu neutronien tai myonien aktivoimalla stabiileja atomeja. Radionuklidien luonnollinen tuotanto ilmakehässä vastaa kosmisen säteilyn voimakkuutta korkeudessa ja leveysasteissa. Noin 70 % niistä on peräisin stratosfääristä ja 30 % troposfääristä.
H-3:a ja C-14:ää lukuun ottamatta radionuklideja löytyy yleensä hyvin alhaisina pitoisuuksina. Tritium laimennetaan ja sekoitetaan veden ja H-2:n kanssa, ja C-14 yhdistyy hapen kanssa muodostaen CO2, joka sekoittuu ilmakehän hiilidioksidin kanssa. Hiili-14 pääsee kasveihin fotosynteesin kautta.
Maan säteily
Maan kanssa muodostuneista monista radionuklideista vain muutamilla puoliintumisaika on tarpeeksi pitkä selittämään nykyisen olemassaolonsa. Jos planeettamme muodostui noin 6 miljardia vuotta sitten, niiden puoliintumisaika olisi vähintään 100 miljoonaa vuotta pysyäkseen mitattavissa olevina määrinä. Tähän mennessä löydetyistä primaarisista radionuklideista kolme on merkittävimpiä. Röntgenlähde on K-40, U-238 ja Th-232. Uraani ja torium muodostavat kumpikin hajoamistuotteiden ketjun, jotka ovat lähes aina alkuperäisen isotoopin läsnä ollessa. Vaikka monet tytärradionuklideista ovat lyhytikäisiä, ne ovat yleisiä ympäristössä, koska niitä muodostuu jatkuvasti pitkäikäisistä lähtöaineista.
Muut alkuperäiset pitkäikäiset röntgenlähteet ovat lyhyesti sanottuna erittäin alhaisia pitoisuuksia. Näitä ovat Rb-87, La-138, Ce-142, Sm-147, Lu-176 jne. Luonnossa esiintyvät neutronit muodostavat monia muita radionuklideja, mutta niiden pitoisuus on yleensä hyvin pieni. Oklon louhos Gabonissa Afrikassa sisältää todisteita "luonnollisesta reaktorista", jossa tapahtui ydinreaktioita. U-235:n ehtyminen ja fissiotuotteiden esiintyminen rikkaassa uraaniesiintymässä osoittavat, että täällä tapahtui spontaanisti aiheutettu ketjureaktio noin 2 miljardia vuotta sitten.
Vaikka alkuperäisiä radionuklideja on kaikkialla, niiden pitoisuus vaihtelee sijainnin mukaan. MainLuonnollisen radioaktiivisuuden säiliö on litosfääri. Lisäksi se muuttuu merkittävästi litosfäärissä. Joskus se liittyy tietyntyyppisiin yhdisteisiin ja mineraaleihin, joskus se on puhtaasti alueellinen, ja sillä on vain vähän korrelaatiota kivi- ja mineraalityyppien kanssa.
Primääristen radionuklidien ja niiden jälkeläisten hajoamistuotteiden jakautuminen luonnollisissa ekosysteemeissä riippuu monista tekijöistä, mukaan lukien nuklidien kemialliset ominaisuudet, ekosysteemin fysikaaliset tekijät sekä kasviston ja eläimistön fysiologiset ja ekologiset ominaisuudet. Kivien rapautuminen, niiden päävarasto, toimittaa maaperään U:ta, Th:tä ja K:tä, johon myös Th:n ja U:n hajoamistuotteet osallistuvat. Kasvit imevät maaperästä K:ta, Ra:ta, vähän U:ta ja hyvin vähän Th:tä. Ne käyttävät kalium-40:tä samalla tavalla kuin stabiilia K. Radiumia, U-238:n hajoamistuotetta, kasvi käyttää, ei siksi, että se olisi isotooppi, vaan koska se on kemiallisesti lähellä kalsiumia. Kasvien uraanin ja toriumin otto on yleensä merkityksetöntä, koska nämä radionuklidit ovat yleensä liukenemattomia.
Radon
Kaikista luonnonsäteilyn lähteistä tärkein on mauton, hajuton alkuaine, näkymätön kaasu, joka on 8 kertaa ilmaa raskaampi, radon. Se koostuu kahdesta pääisotoopista - radon-222:sta, joka on yksi U-238:n hajoamistuotteista, ja radon-220:sta, joka muodostuu Th-232:n hajoamisen aikana.
Kivet, maaperä, kasvit ja eläimet päästävät radonia ilmakehään. Kaasu on radiumin hajoamistuote ja sitä syntyy mistä tahansa materiaalistajoka sisältää sen. Koska radon on inertti kaasu, se voi vapautua pinnoilta, jotka joutuvat kosketuksiin ilmakehän kanssa. Tietystä kivimassasta poistuvan radonin määrä riippuu radiumin määrästä ja pinta-alasta. Mitä pienempi kivi, sitä enemmän radonia se voi vapauttaa. Ilman Rn-pitoisuus radiumia sisältävien materiaalien vieressä riippuu myös ilman nopeudesta. Kellareissa, luolissa ja kaivoksissa, joissa ilmankierto on huono, radonpitoisuudet voivat nousta merkittäville tasoille.
Rn hajoaa melko nopeasti ja muodostaa useita tytärradionuklideja. Ilmakehässä muodostuneet radonin hajoamistuotteet yhdistyvät hienoihin pölyhiukkasiin, jotka laskeutuvat maaperään ja kasveihin ja joita myös eläimet hengittävät. Sade on erityisen tehokas radioaktiivisten elementtien poistamisessa ilmasta, mutta myös aerosolihiukkasten isku ja laskeutuminen vaikuttavat niiden laskeutumiseen.
Lauhkeassa ilmastossa radonpitoisuudet sisällä ovat keskimäärin noin 5-10 kertaa korkeammat kuin ulkona.
Viime vuosikymmeninä ihminen on "keinotekoisesti" tuottanut useita satoja radionuklideja, niihin liittyviä röntgensäteitä, lähteitä ja ominaisuuksia, joilla on käyttöä lääketieteessä, sotilaallisessa, sähköntuotannossa, instrumentaatiossa ja mineraalien etsinnässä.
Ihmisen aiheuttamien säteilylähteiden yksittäiset vaikutukset vaihtelevat suuresti. Suurin osa ihmisistä saa suhteellisen pienen annoksen keinotekoista säteilyä, mutta jotkut saavat useita tuhansia kertoja enemmän luonnollisista lähteistä tulevaa säteilyä. Ihmisen tekemät lähteet ovat parempiakontrolloitu kuin luonnollinen.
Röntgenlähteet lääketieteessä
Teollisuudessa ja lääketieteessä käytetään pääsääntöisesti vain puhtaita radionuklideja, mikä yksinkertaistaa varastointipaikkojen vuotoreittien tunnistamista ja loppusijoitusprosessia.
Säteilyn käyttö lääketieteessä on laajalle levinnyttä ja sillä voi olla merkittäviä vaikutuksia. Se sisältää röntgenlähteitä, joita käytetään lääketieteessä:
- diagnostiikka;
- terapia;
- analyyttiset menettelyt;
- tahdistus.
Diagnostiikassa käytetään sekä suljettuja lähteitä että monenlaisia radioaktiivisia merkkiaineita. Lääketieteelliset laitokset erottavat yleensä nämä sovellukset, kuten radiologia ja isotooppilääketiede.
Onko röntgenputki ionisoivan säteilyn lähde? Tietokonetomografia ja fluorografia ovat hyvin tunnettuja diagnostisia toimenpiteitä, jotka suoritetaan sen avulla. Lisäksi isotooppilähteille on monia sovelluksia lääketieteellisessä radiografiassa, mukaan lukien gamma- ja beetalähteet sekä kokeelliset neutronilähteet tapauksiin, joissa röntgenlaitteet ovat epämukavia, sopimattomia tai vaarallisia. Ympäristön kann alta radiografinen säteily ei aiheuta riskiä niin kauan kuin sen lähteet ovat vastuullisia ja asianmukaisesti hävitettyjä. Tässä suhteessa radium-alkuaineiden, radonneulojen ja radiumia sisältävien luminoivien yhdisteiden historia ei ole rohkaiseva.
Yleisesti käytetyt röntgenlähteet, jotka perustuvat 90Srtai 147 pm. 252Cf:n tulo kannettavana neutronigeneraattorina on tehnyt neutroniradiografian laaj alti saataville, vaikka yleisesti ottaen tekniikka on edelleen erittäin riippuvainen ydinreaktorien saatavuudesta.
Ydinlääketiede
Tärkeimmät ympäristövaarat ovat radioisotooppimerkit isotooppilääketieteessä ja röntgenlähteet. Esimerkkejä ei-toivotuista vaikutuksista ovat seuraavat:
- potilaan säteilytys;
- sairaalan henkilökunnan säteilytys;
- altistus radioaktiivisten lääkkeiden kuljetuksen aikana;
- vaikutus tuotannon aikana;
- altistuminen radioaktiiviselle jätteelle.
Viime vuosina on ollut suuntaus vähentää potilaiden altistumista ottamalla käyttöön lyhyemmän ikäisiä isotooppeja, joilla on kapeampi vaikutus, ja käyttämällä paikallisia lääkkeitä.
Lyhempi puoliintumisaika vähentää radioaktiivisen jätteen vaikutusta, koska suurin osa pitkäikäisistä alkuaineista erittyy munuaisten kautta.
Viestien ympäristövaikutukset eivät näytä riippuvan siitä, onko potilas sairaala- vai avohoito. Vaikka useimmat vapautuneet radioaktiiviset alkuaineet ovat todennäköisesti lyhytikäisiä, kumulatiivinen vaikutus ylittää huomattavasti kaikkien ydinvoimaloiden saastetasot yhteensä.
Lääketieteessä yleisimmin käytetyt radionuklidit ovat röntgenlähteitä:
- 99mTc – kallon ja aivojen skannaus, aivoverikuvaus, sydämen, maksan, keuhkojen, kilpirauhasen skannaus, istukan paikannus;
- 131I - veri, maksakuvaus, istukan paikannus, kilpirauhasen skannaus ja hoito;
- 51Cr - punasolujen olemassaolon tai sekvestraation keston, veren tilavuuden määrittäminen;
- 57Co - Schilling-testi;
- 32P – luumetastaasit.
Radioimmunomääritysmenetelmien, virtsan analyysin ja muiden leimattuja orgaanisia yhdisteitä käyttävien tutkimusmenetelmien laaja käyttö on lisännyt merkittävästi nestetuikevalmisteiden käyttöä. Orgaaniset fosforiliuokset, jotka perustuvat yleensä tolueeniin tai ksyleeniin, muodostavat melko suuren määrän nestemäistä orgaanista jätettä, joka on hävitettävä. Käsittely nestemäisessä muodossa on mahdollisesti vaarallista eikä ympäristön kann alta hyväksyttävää. Tästä syystä jätteenpoltto on suositeltavampi.
Koska pitkäikäiset 3H tai 14C liukenevat helposti ympäristöön, niiden altistuminen on normaalialueella. Mutta kumulatiivinen vaikutus voi olla merkittävä.
Toinen radionuklidien lääketieteellinen käyttö on plutoniumparistojen käyttö sydämentahdistimien tehonlähteenä. Tuhannet ihmiset ovat elossa nykyään, koska nämä laitteet auttavat heidän sydäntään toimimaan. Suljetut 238Pu:n (150 GBq) lähteet implantoidaan potilaisiin kirurgisesti.
Teolliset röntgensäteet: lähteet, ominaisuudet, sovellukset
Lääketiede ei ole ainoa alue, jolla tämä sähkömagneettisen spektrin osa on löytänyt käyttöä. Teollisuuden radioisotoopit ja röntgenlähteet ovat merkittävä osa teknogeenistä säteilytilannetta. Sovellusesimerkkejä:
- teollisuusradiografia;
- säteilyn mittaus;
- savuilmaisimet;
- itsevalaisevat materiaalit;
- Röntgenkristallografia;
- skannerit matkatavaroiden ja käsimatkatavaroiden tarkastamiseen;
- röntgenlaserit;
- synkrotronit;
- syklotronit.
Koska useimmat näistä sovelluksista sisältävät kapseloitujen isotooppien käytön, säteily altistus tapahtuu kuljetuksen, siirron, huollon ja hävittämisen aikana.
Onko röntgenputki ionisoivan säteilyn lähde teollisuudessa? Kyllä, sitä käytetään lentokenttien rikkomattomissa testausjärjestelmissä, kiteiden, materiaalien ja rakenteiden tutkimuksessa sekä teollisessa ohjauksessa. Viime vuosikymmeninä tieteen ja teollisuuden säteilyannokset ovat saavuttaneet puolet tämän indikaattorin arvosta lääketieteessä; siksi panos on merkittävä.
Kapseloiduilla röntgenlähteillä itsessään on vain vähän vaikutusta. Mutta niiden kuljetus ja hävittäminen ovat huolestuttavia, kun ne katoavat tai ne upotetaan vahingossa kaatopaikalle. Tällaisia lähteitäRöntgensäteet toimitetaan ja asennetaan yleensä kaksinkertaisesti suljettuina levyinä tai sylintereinä. Kapselit on valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja ne on tarkastettava säännöllisesti vuotojen var alta. Niiden hävittäminen voi olla ongelma. Lyhytikäisiä lähteitä voidaan varastoida ja hajottaa, mutta silloinkin ne on otettava asianmukaisesti huomioon ja aktiiviainejäämät on hävitettävä luvanvaraiseen laitokseen. Muussa tapauksessa kapselit tulee lähettää erikoistuneille laitoksille. Niiden teho määrää röntgenlähteen aktiivisen osan materiaalin ja koon.
Röntgenlähteiden tallennuspaikat
Kasvava ongelma on sellaisten teollisuuslaitosten turvallinen käytöstä poistaminen ja puhdistaminen, joissa on aiemmin säilytetty radioaktiivisia aineita. Nämä ovat enimmäkseen vanhempia ydinjälleenkäsittelylaitoksia, mutta mukana on oltava myös muita teollisuudenaloja, kuten itsevalaisevien tritiumkylttien tuotantolaitoksia.
Pitkäikäiset matalan tason lähteet, jotka ovat laajalle levinneitä, ovat erityinen ongelma. Esimerkiksi 241Am käytetään savunilmaisimissa. Nämä ovat radonin lisäksi arjen tärkeimmät röntgensäteilyn lähteet. Yksittäin ne eivät aiheuta vaaraa, mutta huomattava osa niistä voi aiheuttaa ongelmia tulevaisuudessa.
Ydinräjähdykset
Viimeisten 50 vuoden aikana jokainen on altistunut ydinasekokeiden aiheuttamalle laskeumalle. Heidän huippunsa oli klo1954-1958 ja 1961-1962.
Vuonna 1963 kolme maata (Neuvostoliitto, USA ja Iso-Britannia) allekirjoittivat sopimuksen ydinkokeiden osittaisesta kieltämisestä ilmakehässä, v altamerissä ja ulkoavaruudessa. Seuraavien kahden vuosikymmenen aikana Ranska ja Kiina suorittivat sarjan paljon pienempiä testejä, jotka päättyivät vuonna 1980. Maanalaiset testit ovat edelleen käynnissä, mutta ne eivät yleensä tuota sadetta.
Radioaktiivinen kontaminaatio ilmakehän testeistä putoaa lähelle räjähdyspaikkaa. Jotkut niistä jäävät troposfääriin, ja tuuli kuljettaa niitä ympäri maailmaa samalla leveysasteella. Liikkuessaan ne putoavat maahan ja jäävät ilmaan noin kuukauden. Mutta useimmat työnnetään stratosfääriin, jossa saaste säilyy useita kuukausia ja laskee hitaasti ympäri planeettaa.
Radioaktiivinen laskeuma sisältää useita satoja erilaisia radionuklideja, mutta vain harvat niistä voivat vaikuttaa ihmiskehoon, joten niiden koko on hyvin pieni ja hajoaminen nopeaa. Merkittävimmät ovat C-14, Cs-137, Zr-95 ja Sr-90.
Zr-95:n puoliintumisaika on 64 päivää, kun taas Cs-137:n ja Sr-90:n puoliintumisaika on noin 30 vuotta. Vain hiili-14, jonka puoliintumisaika on 5730, pysyy aktiivisena pitkälle tulevaisuuteen.
Ydinenergia
Ydinvoima on ihmiskunnan aiheuttamista säteilylähteistä kiistanalaisin, mutta sillä on hyvin vähän vaikutusta ihmisten terveyteen. Ydinlaitokset päästävät normaalikäytössä vähäisiä määriä säteilyä ympäristöön. Helmikuu 2016Siviilitoiminnassa toimivia ydinreaktoreita oli 442 31 maassa ja 66 muuta oli rakenteilla. Tämä on vain osa ydinpolttoaineen tuotantosykliä. Se alkaa uraanimalmin louhinnasta ja jauhamisesta ja jatkuu ydinpolttoaineen valmistuksella. Voimalaitoksissa käytön jälkeen polttokennoja toisinaan käsitellään uudelleen uraanin ja plutoniumin t alteenottamiseksi. Lopulta kierto päättyy ydinjätteen loppusijoitukseen. Radioaktiivisia aineita voi vapautua tämän syklin jokaisessa vaiheessa.
Noin puolet maailman uraanimalmituotannosta tulee avolouhoksista, toinen puolet kaivoksista. Sen jälkeen se murskataan läheisissä murskaimissa, jotka tuottavat suuren määrän jätettä – satoja miljoonia tonneja. Tämä jäte pysyy radioaktiivisena miljoonia vuosia laitoksen toiminnan lopettamisen jälkeen, vaikka säteily on hyvin pieni osa luonnollisesta taustasta.
Sen jälkeen uraani muutetaan polttoaineeksi jatkokäsittelyn ja puhdistuksen kautta rikastuslaitoksissa. Nämä prosessit johtavat ilman ja veden saastumiseen, mutta ne ovat paljon vähemmän kuin muissa polttoainekierron vaiheissa.
