Гайгеровият брояч, радиацията и нейното въздействие върху организмите

При ядрен взрив, голяма авария на атомна електроцентрала или друга подобна катастрофа, околната среда ще бъде отровена от радиацията. Когато това йонизиращо излъчване въздейства на организмите на хората и животните, се говори за отравяне с радиация. Последствията директно зависят от нивото на облъчване. Ако то не е голямо, хората усещат слабост, световъртеж и умора. Но ако дозата на облъчване е била голяма в организма настъпват сериозни неврални повреди, като смъртта настъпва в течение на около 48 часа. За да се разбере, дали в околната среда има опасно йонизиращо излъчване, се използва гайгеровият брояч. Нека да се спрем малко по-подробно.

Създаването на гайгеровия брояч

Гайгеровият брояч е изобретен през 1908 година от германския физик Ханс Вилхелм Гайгер. Първоначално устройството, което е предназначено за откриване на радиация е било съвсем опростено и е имало много недостатъци. През 1928 година, по време на съвместната работа с Гайгер, приборът е значително подобрен от неговия колега Уолтър Мюлер. Той е създал няколко различни модификации на устройството, като всяка една от тези версии е можела да открие различен тип излъчване. Ето защо този измервателен прибор е известен и като броячът на Гайгер-Мюлер.

Приборът е разработен по време на започналото по това време изключително активно изучаване на ядрената физика, атомната енергетика и създаването на ядрено оръжие. Гайгеровият брояч става един съвсем опростен инструмент за регистриране и измерване интензивността на разпада на радиоактивните вещества. Днес той е основната част – сензорът на дозиметрите – по-сложни устройства, които не само регистрират наличието на радиация, но и показват съвсем точни данни за нейното ниво. В началото тези измервателни прибори се използват във военната сфера и в атомните електроцентрали, но днес гайгеров брояч и дозиметър може да си купи всеки желаещ.

Как работи гайгеровият брояч?

Схемата и конструкцията на гайгеровия брояч е съвсем опростена. На практика това е един цилиндричен кондензатор между пластините на който е поставен инертен газ с ниско налягане – неон, аргон и т.н. Това са благородни газове, които носят това име, понеже участват в твърде малко химически реакции. За да бъдат накарани да реагират е необходимо техните атоми да бъдат йонизирани. Когато във вътрешността на този цилиндричен кондензатор проникне йонизиращо излъчване, възниква пробив и за кратък момент протича електрически ток. Именно заради възникналите в първите гайгерови броячи разряди при наличие на радиация, приборът издава характерен цъкащ звук, който при по висока радиация се превръща в характерен трясък.

Благодарение на тяхната съвсем проста конструкция, гайгеровите броячи са евтини. Те активно се използват в случаите, когато е необходимо да се регистрират пикове на радиация на големи територии – понякога голям брой от тези прибори покриват десетки, а често пъти и стотици квадратни метри. Точността на гайгеровия брояч е 100%, понеже за възникването на електрически разряд в неговия кондензатор е достатъчна само една йонизираща частица.

Дозиметърът

Както вече казахме по-горе, гайгеровите броячи са основните модули на дозиметрите. Докато броячът само определя наличието на йонизиращо излъчване, дозиметърът определят натрупаната доза от това йонизиращо излъчване. Не бива дозиметърът да се бърка с радиометърът, който от своя страна показва мощността на дозата на радиация в даден момент от време в точно определена точка.

Дозиметрите често се използват в бита за проверка наличието на йонизиращо излъчване в помещенията, предметите и хранителните продукти. В не толкова далечното минало дозата на облъчване се определяше като микро рентгени на час. Това е извънсистемна единица аз експозиционната доза на радиоактивно облъчване с рентгеново лъчение или с гама лъчи, определяна по тяхното йонизиращо действие върху сух атмосферен въздух. През 1950 година Международният конгрес по радиология определя пределно допустимата доза от 0,05 рентгена на ден за гама-лъчи до 3 мегаелектронволта.

Днес използваме Sievert (Sv) или сиверт, който е мерна единица от SI за доза на йонизиращите лъчения. С нея се цели да се даде количествен израз на биологичното влияние на радиацията. Всъщност това е количеството енергия, което е погълнато от 1 кг биологична тъкан. В ежедневието е по-лесно да се използват милионни или хилядни части от тези единици – съответно, микро-рентген и микросиверт (µSv) или мили-рентген и милисиверт (mSv).

Микросивертът често пъти се обозначава като USv и в дозиметрите се използва именно тази единица – USv/h – микросиверта на час.

В уеб пространството има голям брой калкулатори за превръщане на тези единици.

Какво става с човешкото тяло под въздействието на радиацията

Нека теоретично да допуснем, че някой побъркан лидер реши да натисне така нареченото голямо червено копче. Възможно е и терористи да поемат контрола върху някой ядрен реактор. Така или иначе имало е ужасяващ взрив и Светът е отровен с радиация. Какво всъщност е това? Когато протичат ядрени реакции се отделят частици с такава енергия, че електроните напускат атомите. При тези промени се създават двойки йони, които са химически изключително реактивни. Именно това е част от йонизиращото излъчване, което създава най-много проблеми.

По какъв начин убива радиацията?

Има най-различни видове йонизиращо излъчване – космическо, алфа, бета, гама, рентгеново, неутронно и други. Но най-важното е за колко време организмите са били подложени под въздействието на радиационно излъчване с точно определена сила. Именно по този начин се определя дозата на облъчване.

Дозата се определя чрез единицата грей (Gy) или в сиверти (Sv) за определено време – най-често микросиверти на час – USv/h. Между тези мерни единици има разлика. Gy се използва за определя дозата на облъчване за всякаква материя, докато Sv определя дозата на облъчване на живите организми и по-конкретно човека. Съществува известно объркване и тук ще разглеждаме и двата случая.

Допустимите дози на йонизиращите лъчения в България се определят от Наредбата за основни норми за радиационна защита. Тя определя допустимите дози за облъчване, в които не влизат дозите от естествения радиационен фон. Естественият гама-фон на територията на България е от 0,06 до 0,40 µSv\h.

Границата на ефективна доза йонизиращо лъчение за всяко лице от населението в България е 1 mSv за 1 година или 0,1 μSv/h (преизчислено за 8800 часа). Границата за професионално облъчване (за лица, които работят с източници на йонизиращи лъчения) е 20 mSv за 1 година или 10 μSv/h (преизчислено за 1700 работни часа).

За защита на населението за България са приети следните норми:

• 5 – 50 mSv – укриване и защита на органите на дишането (дозата се отнася за периода на укриване);
• 50 – 500 mSv за 1 седмица – евакуация на населението;
• 10 – 100 mSv за 1 месец – временно преселване;
• 1000 mSv за 50 години – постоянно преселване;
• 5 – 50 mSv ефективна доза за щитовидната жлеза – йодна профилактика за бременни, кърмачки и лица под 18 години;
• 50 – 500 mSv за 1 седмица – йодна профилактика за цялото население.

Да обърнем внимание, че по-горе става дума за милисиверти, а не за микросиверти.

От друга страна средното облъчване в рамките на една-две секунди по време на рентгенова снимка възлиза на около 0,0014 Gy, което едно съвсем лека доза, която се прилага локално и именно затова не е особено опасна. Опасността започва ако радиацията е въздействала на цялото тяло, както е било в контролната зала на чернобилската атомна електроцентрала веднага след взрива. Там бихте се облъчили с около 300 Sv/h (не са микросиверти, а сиверти). Но никой не може да издържи един час. Дозата е станала смъртоносна само след 1, максимум 2 минути.

Защо хората умират от радиацията?

Големите дози йонизираща радиация бързо водят до остър радиационен синдром, което всъщност е терминът за отравяне с радиация. Сериозността на симптомите зависи от нивото на облъчване. Получената доза радиация в рамките на 0,35 Gy по нещо прилича на грип – хрема и световъртеж, главоболие, умора, треска.

Ако човешкото тяло бъде облъчено с от 1 до 4 Gy, кръвните клетки започват да умират. Но това ниво все още е възможно възстановяване – обикновено това става чрез преливане на кръв и приемане на антибиотици, но едновременно с това силно се забавя имунния отговор заради падането на броя левкоцити – кръвта престава да се съсирва и се появява анемия. На ниво 2 Gy започват да се виждат странни слънчеви изгаряния върху кожата. Технически казано това е вече остър радиодерматит, който е съпроводен с червени петна, олющване на кожата и понякога подуване.

Смъртоносната радиационна доза

Получената доза от 4 до 8 Gy може да бъде смъртоносна, но пътят към леталния изход зависи от нивото на въздействието. При подобно облъчване пациентите страдат от повръщане, диария, силен световъртеж и треска. Без лечение смъртта настъпва след няколко седмици.

Луис Злотин е загинал през 1946 от силно радиационно облъчване по време на своите изследвания по проекта Манхатън от 10 Gy едновременно от гама и рентгеново излъчване. Той не би оживял и днес, въпреки най-съвременните медицински процедури, включващи и трансплантация на костен мозък.

Пациентите, които са били изложени на радиационно излъчване с доза от 8 до 30 Gy имат силна хрема и диария в продължение на 1 час и умират след два дни или две седмици в зависимост от теглото на техните тела и от възможностите на техните организми.

Получена доза от 30 Gy предизвиква неврални повреди. В течение на няколко минути пациентите изпитват силно повръщане и диария, главоболие и често изпадат в безсъзнание. Техните нерви са вече увредени и това е причината за възникване на силен тремор и загуба на контрола върху мускулите. Смъртта след максимум 48 часа е неизбежна.

Може ли да се оцелее след подобно облъчване?

Ако извадите късмет и избегнете радиационно отравяне, предизвикано от ядрен взрив или гръмнал атомен реактор, това съвсем не означава, че всичко е отминало. Продължителното въздействие на йонизиращата радиация дори и в слаби дози, много често водят до възникването на генетични мутации и рак. Именно това бе най-големият проблем, с който се сблъскаха оцелелите след аварията във Фукушима и в Чернобил. Според статистиките и създадените компютърни модели, още хиляди хора навярно ще починат от рак, предизвикан от радиацията на падналите отровени дъждове и снегове.

Казано съвсем опростено, клетките се контролират от химическата структура на ДНК молекулите. Но високата енергия на радиационното излъчване е достатъчна, за да се нарушат молекулните връзки и ДНК веригите да се разрушат. Въпреки че повечето от тях се възстановяват нормално, около 25% от ДНК клетките не могат да се възстановят и започва един продължителен процес, който води до увеличаване скоростта на мутациите в бъдещите поколения клетки. Вероятността за възникване на рак се увеличава в зависимост от поетата доза облъчване, но самата тежест на раковото заболяване не зависи от дозата. Значение има самият факт на радиационно облъчване, а не неговото високо или ниско ниво.

Сега съществуващите компютърни модели, алгоритмите на които работят в суперкомпютрите, не могат да дадат категоричен отговор какво ще се случи при дълготрайно въздействие на радиационно облъчване. Най-разпространеният компютърен модел предполага, че за хората най-опасно ще бъде останалото след взрива фоново излъчване с ниско ниво на радиацията. Ето защо, въпреки че радиационното отравяне на човешкия организъм е ужасно само по себе си, може би трябва да се страхуваме повече от бавното, но постоянно и непрекъснато облъчване.