WSTĘP

Przeciętnemu mieszkańcowi Polski promieniowanie jonizujące kojarzy się przede wszystkim z elektrowniami atomowymi albo bombami znajdującymi się w arsenałach nuklearnych wielu państw. Skoro ich w naszym kraju nie ma, nie ma się czego obawiać. Tymczasem głównym źródłem narażenia ludzi na promieniowanie jonizujące jest stosowanie tego promieniowania w medycynie i przemyśle, gdzie wykorzystywane jest ono do diagnostyki i leczenia chorób oraz badania jakości konstrukcji i materiałów. Poza nieuniknionym eksponowaniem ludzi na działanie źródeł promieniowania w medycznych badaniach diagnostycznych i radioterapii, każde inne stosowanie lub produkcja materiałów promieniotwórczych wiąże się z ryzykiem niekontrolowanego narażenia człowieka.

Smutnym znakiem naszych czasów jest zagrożenie terrorystyczne. Terroryzm nuklearno-radiologiczny może przybrać różne formy, takie jak detonacja bomby jądrowej lub rozproszenie substancji promieniotwórczej w wyniku odpalenia tzw. brudnej bomby. Zasięg i rodzaj skutków zdrowotnych użycia każdej z nich będą się zasadniczo różnić: bomba atomowa jest bronią masowego rażenia i jej detonacja ma na celu zabicie i okaleczenie jak największej liczby ludzi, natomiast celem terrorystów posługujących się brudną bombą nie są liczne ofiary śmiertelne, lecz wzbudzenie paniki i dezorganizacja w społeczeństwie. W obu przypadkach jednak może dojść do pochłonięcia przez ludzi określonych dawek promieniowania i wystąpienia zaburzeń popromiennych wymagających interwencji medycznej.

Przeciwdziałanie i likwidacja skutków zdarzeń radiacyjnych obejmuje trzy aspekty biomedyczne: 1) postępowanie ratunkowe na miejscu zdarzenia i transport porażonych do zakładów leczniczych, 2) szacowanie dawek pochłoniętych przez porażonych oraz leczenie obrażeń. W niniejszej książce omówiono wszystkie trzy aspekty, które są ze sobą ściśle powiązane: bez sprawnie przeprowadzonej akcji ratowniczej i znajomości pochłoniętej dawki promieniowania nie można podjąć skutecznych zabiegów prewencyjno-terapeutycznych. W książce znalazły się też rozdziały na temat wypadków radiacyjnych, poziomu narażenia i zasad ochrony radiologicznej w medycynie, mechanizmów i skutków działania promieniowania jonizującego na organizm człowieka oraz zagrożeń terroryzmem radiologicznym i nuklearnym. Autorzy tych rozdziałów starali się dostarczyć informacji pozwalających zrozumieć przyczyny i unikać wypadków radiacyjnych, rozpoznawać i ograniczać narażenie przy diagnostycznym i(lub) terapeutycznym stosowaniu źródeł promieniowania, poznać ryzyko ataku bronią nuklearną oraz radiologiczną i przeciwdziałać mu, a także ułatwić zrozumienie biologicznej natury uszkodzeń popromiennych. Należy podkreślić, że wszystkie rozdziały tej książki przygotowane zostały na podstawie aktualnych wyników badań, publikacji i opracowań z zakresu omawianej tematyki, w tym także odpowiednich dyrektyw i zaleceń Unii Europejskiej.

Czytelnikom i nam pozostaje życzyć, aby omawiane w książce scenariusze niezamierzonej ekspozycji ludzi na działanie promieniowania jonizującego (w czasie awarii i wypadków radiacyjnych, po użyciu broni nuklearnej lub radiologicznej itd.) nigdy się już nie urzeczywistniły. Będąc jednak bardziej realistycznymi obserwatorami współczesnego świata, chcielibyśmy, aby wiedza zawarta w tej książce okazała się pomocna w lepszym zrozumieniu natury promieniowania jonizującego i skutków jego działania na organizm człowieka (co powinno m.in. zapobiec szerzeniu się radiofobii w społeczeństwie), pozwoliła w sposób racjonalny unikać niepotrzebnej ekspozycji na promieniowanie, a w przypadkach, gdyby doszło już do takiego narażenia - umożliwiła skuteczne zapobieganie i leczenie zarówno wczesnych, jak i odległych zaburzeń i chorób popromiennych. Mamy więc nadzieję, że publikując tę książkę, postępujemy zgodnie z rzymską maksymą: si vis pacem, para bellum.

Marek K. Janiak

Andrzej Wójcik

1. PODSTAWOWE ELEMENTY FIZYKI PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO I DOZYMETRII Maria Anna Staniszewska

CHARAKTERYSTYKA ŹRÓDEŁ I RODZAJÓW PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

Promieniowanie jonizujące to energia przenoszona w przestrzeni w postaci cząstek materii (promieniowanie korpuskularne) lub fal elektromagnetycznych (promieniowanie fotonowe), która oddziałując z materią powoduje powstanie w niej jonów, czyli atomów i cząsteczek posiadających ładunek elektryczny.

PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE

Najczęściej spotykanymi rodzajami promieniowania elektromagnetycznego są fotony X (zwane promieniowaniem rentgenowskim) i kwanty promieniowania ?. Zarówno promieniowanie X, jak i ? to porcje "czystej" energii, bez masy spoczynkowej i ładunku elektrycznego. Te dwa rodzaje promieniowania różni jedynie sposób, w jaki powstają: promieniowanie X jest wynikiem hamowania strumienia elektronów w polu elektrycznym jąder atomów materii, natomiast promieniowanie ? powstaje w wyniku przemian zachodzących w jądrach atomów (samorzutnie lub wskutek oddziaływania z innymi cząstkami). Źródłami promieniowania X są przede wszystkim lampy rentgenowskie, w których strumień elektronów "wyrwanych" z katody zostaje przyspieszony w polu elektrycznym o bardzo wysokim potencjale (rzędu od kilkudziesięciu tysięcy do kilku milionów woltów) i uderza w powierzchnię anody wykonanej z metalu o wysokiej liczbie atomowej (Z). Obie elektrody zamknięte są w szklanej komorze próżniowej. W wyniku hamowania elektronów powstaje promieniowanie X, a pozostała energia wprowadzona do materiału anody wydziela się w postaci dużych ilości ciepła (na tej samej zasadzie źródłami promieniowania X są lampy kineskopowe używane w odbiornikach telewizyjnych i monitorach komputerowych).

Losowy charakter procesu hamowania poszczególnych elektronów sprawia, iż energie emitowanych fotonów X są różne i tworzą tzw. widmo energetyczne. Zakres energetyczny widma zdeterminowany jest głównie wartością napięcia między elektrodami lampy rentgenowskiej.

Kwanty promieniowania ? emitowane przez ulegające samorzutnemu rozpadowi jądra danego pierwiastka zawsze mają takie same, określone zasadami fizyki, energie (fakt ten wykorzystuje się do identyfikacji pierwiastków). W przypadku emisji kwantu ? w następstwie oddziaływania z inną cząstką wartość energii kwantu również wynika z energetycznego bilansu reakcji i nigdy nie jest losowa, tak jak w przypadku fotonów X.

PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE KORPUSKULARNE

Promieniowanie korpuskularne różni się od elektromagnetycznego tym, iż oprócz energii przenosi masę i - z wyjątkiem neutronów - niezerowy ładunek elektryczny. Najczęściej spotykane rodzaje tego promieniowania to:

1) elektrony i rzadziej spotykane ich antycząstki - pozytony, ogólnie nazywane promieniowaniem ?,

2) protony,

3) neutrony,

4) cząstki ?, czyli jądra atomów helu, składające się z 2 protonów i 2 neutronów.

Tabela 1.1. Masy spoczynkowe i ładunki elektryczne cząstek promieniowania jonizującego

Cząstka Masa [g] Ładunek elektrczny [C] e- - elektron 69,1 × 10-28 - 1,6 × 10-19 e+ - pozyton 69,1 × 10-28 + 1,6 × 10-19 p - proton 1,67 × 10-24 + 1,6 × 10-19 n - neutron 1,67 × 10-24 0 ? - cząsteczka alfa 6,68 × 10-24 + 3,2 × 10-19

Wymienione wyżej cząstki powstają w wyniku przemian zachodzących w jądrach atomów w sposób naturalny (tzw. rozpad promieniotwórczy) lub inicjowanych sztucznie (np. przez rozszczepienie jąder ciężkich pierwiastków).

Izotopy promieniotwórcze (zwane radioizotopami lub radionuklidami) są to - w większości przypadków - odmiany pierwiastków stabilnych (tj. nie ulegających samorzutnie rozpadowi promieniotwórczemu), które w jądrach mają większą liczbę neutronów przy zachowaniu niezmienionej liczby protonów. Ponieważ o stabilności jądra atomowego decyduje stosunek liczby protonów do neutronów, nadmiar neutronów powoduje samoistny rozpad jądra, któremu towarzyszy emisja promieniowania ?, elektronów i(lub) cząstek ?.

ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

Źródła promieniowania jonizującego oddziałujące na człowieka dzielimy na naturalne i sztuczne. Do źródeł naturalnych zaliczamy te, które nieodłącznie związane są ze środowiskiem człowieka, w tym przede wszystkim:

promieniowanie kosmiczne (w tym także Słońca), z którym docierają na Ziemię tryt i beryl, a w rezultacie jego oddziaływania z atmosferą - także węgiel 14C, promieniowanie emitowane przez pierwiastki zawarte w skorupie ziemskiej, a w następstwie cyklu pokarmowego obecne również w organizmie człowieka (głównie izotop 40K oraz śladowe ilości uranowców i torowców), radon emanujący z materiałów budowlanych, wody i naturalnych paliw (głównie węgla) podczas ich spalania.

Do źródeł sztucznie wytworzonych przez człowieka zaliczamy:

źródła promieniowania jonizującego stosowane w medycynie, energetykę jądrową, wydobycie i przetwarzanie materiałów promieniotwórczych, wydobycie oraz spalanie paliw organicznych, przetwarzanie i wykorzystywanie minerałów fosforanowych, detonacje militarnych ładunków jądrowych.

Większość źródeł sztucznych związana jest więc z pokojowym wykorzystaniem energii jądrowej; wszelkie próby militarne z bronią jądrową mogą być dodatkowym - choć zakazanym - źródłem promieniowania dla populacji świata.

W warunkach pokoju najistotniejszą rolę w narażeniu populacji na promieniowanie ze sztucznych źródeł odgrywają źródła stosowane w medycynie i związane z energetyką jądrową. Wykorzystanie tego rodzaju źródeł w innych gałęziach przemysłu sprowadza się głównie do celów kontrolno-pomiarowych (np. defektoskopy rentgenowskie i izotopowe, wskaźniki, bramki kontrolne, czujki dymu itd.). Sztuczne źródła promieniowania (radioizotopy) używane są także w wielu placówkach naukowych do celów badawczych. Źródła promieniowania stosowane w medycynie i przemyśle można ogólnie podzielić na: a) aparaturę rentgenowską i b) izotopowe źródła promieniowania.

APARATURA RENTGENOWSKA

Do aparatury rentgenowskiej zaliczamy diagnostyczne i terapeutyczne medyczne aparaty rentgenowskie, kineskopy telewizyjne, prostowniki próżniowe średnich i wielkich mocy, betatrony i akceleratory elektronów. Należy pamiętać, iż wszystkie te urządzenia są tylko wówczas źródłem promieniowania jonizującego (X), gdy włączone jest wysokie napięcie.

RADIOIZOTOPY

Radioizotopy wykorzystywane są powszechnie jako:

- źródła promieniowania w radioterapii ("bomby" kobaltowe lub cezowe, igły radowe itd.),

- różnego rodzaju mierniki lub czujniki w przemyśle (gęstościomierze, pojemnościomierze, wagi izotopowe, czujki dymu itp.),

- podstawniki (zamienniki) stabilnych izotopów danego pierwiastka w tzw. technice znakowania radioizotopowego.

Ostatni sposób użycia radioizotopów wymaga nieco szerszego omówienia. Ponieważ właściwości chemiczne radioizotopu są takie same, jak właściwości stabilnych izotopów danego pierwiastka, w związkach chemicznych atom izotopu promieniotwórczego może zastąpić atom stabilny. Dzięki tej operacji (zwanej znakowaniem) użycie odpowiedniego detektora promieniowania jonizującego pozwala na odszukanie interesującego nas związku chemicznego w badanym materiale. Technikę znakowania szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej (badania in vivo i in vitro w medycynie nuklearnej), w farmakologii oraz w wielu technologiach przemysłowych i technikach badawczych.

Każdy radioizotop charakteryzuje się parametrem nazywanym okresem połowicznego zaniku (lub rozpadu: T1/2), który określa czas potrzebny do samoistnego rozpadu połowy atomów pierwiastka.

ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO Z MATERIĄ

Najogólniej ujmując, cząstki promieniowania jonizującego przechodząc przez ośrodek materialny pozostawiają na swej drodze określone porcje energii, która jest na tyle wysoka, iż uszkadza strukturę atomów w obszarze oddziaływania cząstek. W przypadku fotonów X i ? oraz elektronów zdeponowana energia oddziałuje najczęściej na powłoki elektronowe atomów ośrodka, co prowadzi do jonizacji (tzn. oderwania elektronu, który zaczyna poruszać się swobodnie) lub wzbudzenia atomu (w wyniku przesunięcia jednego z elektronów na wyższy poziom energetyczny). Oznacza to oczywiście zmianę właściwości fizycznych atomów, a w związku z tym także chemicznych uszkodzonych molekuł. Zmiana ta jest stanem chwilowym, ponieważ jony powstałe w następstwie jonizacji rekombinują w trakcie następnych zderzeń, a wzbudzone atomy powracają do stanu podstawowego, emitując nadmiar energii (w postaci energii cieplnej lub świetlnej).

Cząstki promieniowania mające masę i ładunek elektryczny, przechodząc przez ośrodek jonizują go bezpośrednio, w odróżnieniu od promieniowania elektromagnetycznego (X i ?), które jonizuje ośrodek za pośrednictwem wtórnych produktów swego oddziaływania z atomami ośrodka (dlatego promieniowanie to nazywa się jonizującym pośrednio). Pośrednia jonizacja może wystąpić także w wyniku oddziaływania neutronów.

Przekazanie ośrodkowi energii w następstwie oddziaływania promieniowania jonizującego może odbywać się przez: a) całkowitą absorpcję energii fotonu lub cząstki w materii, lub b) rozproszenie energii fotonu lub cząstki.

Absorpcja występuje głównie w przypadku niskoenergetycznych fotonów X (tzw. efekt fotoelektryczny) lub wysokoenergetycznych kwantów ? (podczas tzw. tworzenia par); w punkcie absorpcji zostaje uwolniony wówczas elektron (w przypadku fotoefektu) lub para elektron-pozyton (przy tworzeniu par). Wyżej wymienione zjawiska zachodzą wówczas, gdy absorpcji ulegają fotony, oddziaływanie ma charakter elektromagnetyczny i dotyczy powłok elektronowych atomów ośrodka. Absorpcja jest jednak możliwa również w przypadku cząstek mających masę i zachodzi najłatwiej w przypadku powolnych neutronów, które - dzięki zerowemu ładunkowi elektrycznemu - mogą dotrzeć do jądra atomu; mówimy wówczas o wychwycie neutronu przez jądro atomu, a więc zmianie składu jądra (tzw. przemiana jądrowa), czemu towarzyszy emisja cząstek wtórnych prowadzących do dodatkowej jonizacji ośrodka. Rozproszenie w przypadku fotonów i cząstek o niewielkich masach następuje na elektronach powłoki atomu, natomiast szybkie lub ciężkie cząstki naładowane ulegają rozproszeniu na jądrach atomów. W następstwie rozproszenia cząstka może: a) zmienić jedynie kierunek ruchu (jest to tzw. rozproszenie sprężyste) lub oddać część energii atomowi ośrodka (prowadząc np. do jego jonizacji lub wzbudzenia) i dalej poruszać się z mniejszą już energią w zmienionym kierunku (jest to tzw. rozproszenie nieelastyczne). Należy podkreślić, iż każda cząstka wtórna będąca produktem absorpcji czy rozproszenia cząstki pierwotnej również porusza się w ośrodku i wywołuje dalsze reakcje, rozszerzając tym samym obszar uszkodzeń.

Jeśli na ośrodek pada wiązka promieniowania elektromagnetycznego, liczba fotonów rejestrowanych po przejściu określonej warstwy ogólnie opisywana jest wykładniczą funkcją grubości warstwy, a fizyczne cechy ośrodka, widmo energii fotonów i ich liczba w wiązce są parametrami tejże funkcji. W sytuacji, gdy na ośrodek pada strumień cząstek naładowanych (promieniowanie bezpośrednio jonizujące), ich liczebność gwałtownie maleje po przejściu warstwy zbliżonej do zasięgu cząstek danego rodzaju, czyli długości drogi potrzebnej do odebrania energii (przez oddziaływanie z ośrodkiem) większości cząstek; zasięg cząstek zależy od ich rodzaju, energii i fizycznych cech ośrodka.

Ilość energii pozostawiona przez cząstki promieniowania jonizującego w ośrodku będącym przedmiotem ekspozycji, w przeliczeniu na jednostkę drogi tychże cząstek, istotnie wzrasta ze:

- spadkiem energii cząstki,

- wzrostem gęstości i liczby atomowej (Z) ośrodka,

- wzrostem masy cząstki.

Oznacza to, iż cząstki ciężkie i powolne zostają zaabsorbowane przez bardzo cienkie warstwy ośrodka, podczas gdy wysokoenergetyczne cząstki mogą przenikać przez wielokrotnie grubsze warstwy tego samego ośrodka z bardzo niewielkim spadkiem energii padającej wiązki. W przypadku fotonów X i kwantów ? podobny efekt daje gęściejsze "upakowanie" - szczególnie cięższych atomów

- w napromienianym ośrodku (czemu odpowiada większa liczba atomowa Z i gęstość ośrodka).