Дози опромінення: зіверти, рентген та контекст

1. Типи іонізуючого випромінювання

• Альфа (α): ядра гелію-4 (2 протони + 2 нейтрони). Висока щільність іонізації; затримується папером або шкірою (пробіг ~5 см у повітрі). Надзвичайно небезпечне при вдиханні чи потраплянні всередину (полоній-210, радій-226).
• Бета (β): високошвидкісні електрони або позитрони. Пробіг ~1 м у повітрі; затримується кількома мм алюмінію. Може проникати крізь шкіру до зародкового шару. Становить як зовнішню, так і внутрішню небезпеку.
• Гамма (γ) / рентгенівське: високоенергетичні фотони. Найпроникніше — для екранування потрібен товстий шар свинцю чи бетону. Основний інструмент медичної діагностики; також випромінюється радіоактивними опадами.
• Нейтронне (n): випромінюється при поділі та синтезі. Дуже проникне; захоплення воднем породжує протони та вторинне гамма — ефективне екранування водою чи поліетиленом.

Біологічне ушкодження залежить від того, наскільки щільно відбувається іонізація вздовж треку частинки, що вимірюється лінійною передачею енергії (LET).

2. Одиниці дози

• Грей (Gy): поглинута доза = 1 джоуль, переданий на кг тканини. Фізична величина без вагових коефіцієнтів.
• Зіверт (Sv): ефективна доза = поглинута доза × ваговий коефіцієнт випромінювання (w_R) × тканинний ваговий коефіцієнт (w_T). Враховує біологічну ефективність: фотони/електрони w_R = 1, протони = 2, альфа = 20, нейтрони 2–20.
• Беккерель (Bq): активність = 1 радіоактивний розпад за секунду. Описує силу джерела, а не отриману дозу.
• Рем / мрем: старіша одиниця США; 1 Sv = 100 рем. Досі використовується Комісією з ядерного регулювання США (NRC).

Для випромінювання з низьким LET (гамма, рентген): 1 Gy ≈ 1 Sv. Для альфа: 1 Gy поглинутої = 20 Sv еквівалента ефективної дози.

3. Порівняльна діаграма доз

Дози в логарифмічному масштабі від мкЗв до Зв:

4. Природне фонове випромінювання

Середня світова фонова доза: ~3.1 мЗв/рік. Вона складається з:

• Газ радон (40%): радіоактивний розпад U-238 у ґрунті породжує Rn-222, який просочується в будівлі. Дуже мінливий — Денвер (Колорадо), Корнуолл (Велика Британія), Керала (Індія) мають дози у 10–100 разів вищі за середні. Побутові детектори радону недорогі (<$30) і доцільні в зонах підвищеного ризику.
• Космічне випромінювання (16%): галактичні космічні промені та сонячні енергетичні частинки. Доза подвоюється з кожним набором висоти на 2000 м. Екіпажі літаків отримують ~3–6 мЗв/рік від космічного випромінювання.
• Внутрішнє (17%): K-40 (природний ізотоп калію), C-14 та Ra-226 в їжі та тканинах тіла. З’їдений 1 банан ≈ 0.1 мкЗв (бананова еквівалентна доза — неформальна ілюстрація).
• Земне гамма (18%): гамма від мінералів ґрунту (торій, уран, дочірні продукти радію).

5. Вплив на здоров’я залежно від дози

• <100 мЗв (за все життя): жодного підтвердженого прямого впливу на здоров’я в епідеміологічних дослідженнях. Статистична верхня межа підвищення ризику раку: ~0.5% на 100 мЗв.
• 100–1000 мЗв: невелике, але вимірюване зростання захворюваності на рак у когортних дослідженнях (дані тих, хто вижив у Хіросімі/Нагасакі, когортні дослідження КТ).
• 1–2 Зв (гостра): гостра променева хвороба (ГПХ): нудота, втома, зниження кількості лейкоцитів упродовж годин-днів.
• 2–6 Зв (гостра): тяжка ГПХ; летальна для 50% без медичного лікування (LD₅₀/30). Трансплантація кісткового мозку може врятувати життя.
• >10 Зв (гостра): цереброваскулярний синдром; летальний упродовж днів незалежно від лікування. Перші рятувальники Чорнобиля, які загинули, отримали гостро 8–16 Зв.

6. Модель LNT — суперечки

Лінійна безпорогова модель (LNT) припускає, що ризик раку пропорційний дозі без безпечного порога — навіть 1 мкЗв несе певний крихітний ризик. Прийнята МКРЗ (Міжнародною комісією з радіологічного захисту) як консервативне регуляторне припущення.

Критики стверджують:

• LNT — це статистична екстраполяція нижче за дози, які можна виміряти безпосередньо (<100 мЗв). Прямих доказів шкоди на цих рівнях немає.
• Системи репарації ДНК опрацьовують ~10 000 спонтанних подій ушкодження ДНК на клітину щодня — низькодозове опромінення може не перевантажувати їх інакше, ніж фонові ушкодження.
• Радіаційний горметизм: деякі епідеміологічні дослідження виявляють дещо нижчі показники раку в зонах із високим фоновим випромінюванням (Рамсар, Іран; Керала, Індія), що вказує на можливу адаптивну відповідь за низьких доз.

Контраргумент: з огляду на мільйони людей, що зазнають дещо підвищених доз (працівники ядерної галузі, часті авіапасажири), навіть лінійний ризик означає багато майбутніх випадків раку. Консервативне регулювання є доречним.

7. Принципи радіаційного захисту (ALARA)

Три принципи радіологічного захисту МКРЗ:

• Обґрунтування: жодну практику не слід запроваджувати, якщо вона не дає достатньої користі, що переважує шкоду. Кожне медичне обстеження має мати клінічне обґрунтування.
• Оптимізація (ALARA): дози мають бути настільки низькими, наскільки це розумно досяжно (As Low As Reasonably Achievable) з урахуванням економічних і соціальних чинників. Мінімізувати через час, відстань, екранування.
• Межі дози: професійна: 20 мЗв/рік усереднено за 5 років. Для населення: 1 мЗв/рік понад природний фон.

Практичні рекомендації з екранування: вдвічі менша відстань зменшує дозу в 4 рази (закон обернених квадратів); 1 ШПО (шар половинного ослаблення) матеріалу вдвічі зменшує гамма-дозу (ШПО свинцю для 1 МеВ: 8 мм; для бетону: 100 мм).