در طول تاریخ حیات روی زمین، موجودات زنده دائماً در معرض پرتوهای کیهانی و رادیونوکلئیدهای تشکیل شده توسط آنها در جو و همچنین تشعشعات مواد موجود در طبیعت بوده اند. زندگی مدرن با تمام ویژگی ها و محدودیت های محیط، از جمله منابع طبیعی اشعه ایکس سازگار شده است.
اگرچه سطوح بالای تابش مطمئناً برای موجودات مضر است، انواع خاصی از تشعشعات برای زندگی ضروری هستند. به عنوان مثال، پس زمینه تشعشع به فرآیندهای اساسی تکامل شیمیایی و بیولوژیکی کمک کرد. همچنین این واقعیت آشکار است که گرمای هسته زمین توسط گرمای واپاشی رادیونوکلئیدهای طبیعی اولیه تامین و حفظ می شود.
پرتوهای کیهانی
تشعشع با منشأ فرازمینی که به طور مداوم زمین را بمباران می کند نامیده می شود.فضا.
این واقعیت که این تشعشعات نافذ از فضا به سیاره ما می رسد و نه از زمین، در آزمایشاتی برای اندازه گیری یونیزاسیون در ارتفاعات مختلف، از سطح دریا تا 9000 متر کشف شد. مشخص شد که شدت تابش یونیزان تا ارتفاع 700 متر کاهش یافت و سپس با صعود به سرعت افزایش یافت. کاهش اولیه را می توان با کاهش شدت پرتوهای گامای زمینی و افزایش با عملکرد پرتوهای کیهانی توضیح داد.
منابع اشعه ایکس در فضا به شرح زیر است:
- گروه های کهکشان؛
- کهکشان های سیفرت؛
- خورشید;
- ستاره;
- quasars;
- سیاهچاله؛
- بقایای ابرنواختر؛
- کوتوله های سفید؛
- ستاره های تاریک و غیره.
برای مثال شواهد چنین تشعشعی افزایش شدت پرتوهای کیهانی مشاهده شده بر روی زمین پس از شعله های خورشیدی است. اما ستاره ما سهم اصلی را در شار کل ندارد، زیرا تغییرات روزانه آن بسیار اندک است.
دو نوع پرتو
پرتوهای کیهانی به دو دسته اولیه و ثانویه تقسیم می شوند. تشعشعی که با مواد موجود در جو، لیتوسفر یا هیدروسفر زمین برهمکنش نداشته باشد، اولیه نامیده می شود. این شامل پروتون (≈ 85٪) و ذرات آلفا (≈ 14٪)، با شار بسیار کوچکتر (< 1٪) از هسته های سنگین تر است. پرتوهای ثانویه کیهانی که منابع تابش آن تابش اولیه و جو است، از ذرات زیر اتمی مانند پیون، میون والکترون ها در سطح دریا، تقریباً تمام تشعشعات مشاهده شده از پرتوهای کیهانی ثانویه تشکیل شده است که 68 درصد آن میون و 30 درصد الکترون است. کمتر از 1٪ از شار در سطح دریا از پروتون تشکیل شده است.
پرتوهای اولیه کیهانی، به طور معمول، انرژی جنبشی عظیمی دارند. آنها دارای بار مثبت هستند و با شتاب گرفتن در میدان های مغناطیسی انرژی به دست می آورند. در خلاء فضای بیرونی، ذرات باردار می توانند برای مدت طولانی وجود داشته باشند و میلیون ها سال نوری سفر کنند. در طول این پرواز، آنها انرژی جنبشی بالایی به دست می آورند، در مرتبه 2 تا 30 گیگا الکترون ولت (1 گیگا الکترون ولت=109 eV). ذرات منفرد دارای انرژی تا 1010 GeV هستند.
انرژی های بالای پرتوهای اولیه کیهانی به آنها اجازه می دهد که به معنای واقعی کلمه اتم ها را در جو زمین در هنگام برخورد تقسیم کنند. همراه با نوترون ها، پروتون ها و ذرات زیراتمی، عناصر سبکی مانند هیدروژن، هلیوم و بریلیم می توانند تشکیل شوند. میون‌ها همیشه باردار هستند و همچنین به سرعت به الکترون یا پوزیترون تجزیه می‌شوند.
سپر مغناطیسی
شدت پرتوهای کیهانی با صعود به شدت افزایش می یابد تا اینکه در ارتفاع حدود 20 کیلومتری به حداکثر می رسد. از 20 کیلومتری تا مرز جو (تا 50 کیلومتری) شدت کاهش می یابد.
این الگو با افزایش تولید تشعشعات ثانویه در نتیجه افزایش چگالی هوا توضیح داده می شود. در ارتفاع 20 کیلومتری، بیشتر تابش اولیه وارد برهمکنش شده است و کاهش شدت آن از 20 کیلومتر تا سطح دریا نشان دهنده جذب پرتوهای ثانویه است.جو، معادل حدود 10 متر آب.
شدت تابش نیز به عرض جغرافیایی مرتبط است. در همان ارتفاع، جریان کیهانی از خط استوا به عرض جغرافیایی 50 تا 60 درجه افزایش می یابد و تا قطب ها ثابت می ماند. این با شکل میدان مغناطیسی زمین و توزیع انرژی تابش اولیه توضیح داده می شود. خطوط میدان مغناطیسی که فراتر از اتمسفر امتداد می‌یابند معمولاً در خط استوا با سطح زمین موازی و در قطب‌ها عمود هستند. ذرات باردار به راحتی در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت می کنند، اما به سختی در جهت عرضی بر آن غلبه می کنند. از قطب ها تا 60 درجه، تقریباً تمام تشعشعات اولیه به جو زمین می رسد و در استوا فقط ذرات با انرژی بیش از 15 گیگا ولت می توانند به سپر مغناطیسی نفوذ کنند.
منابع اشعه ایکس ثانویه
در نتیجه برهمکنش پرتوهای کیهانی با ماده، مقدار قابل توجهی رادیونوکلئید به طور مداوم تولید می شود. بیشتر آنها قطعاتی هستند، اما برخی از آنها با فعال شدن اتم های پایدار توسط نوترون ها یا میون ها تشکیل می شوند. تولید طبیعی رادیونوکلئیدها در جو با شدت تابش کیهانی در ارتفاع و عرض جغرافیایی مطابقت دارد. حدود 70 درصد آنها از استراتوسفر و 30 درصد از تروپوسفر منشاء می گیرند.
به استثنای H-3 و C-14، رادیونوکلئیدها معمولاً در غلظت های بسیار پایین یافت می شوند. تریتیوم رقیق شده و با آب و H-2 مخلوط می شود و C-14 با اکسیژن ترکیب می شود و CO2 را تشکیل می دهد که با دی اکسید کربن اتمسفر مخلوط می شود. کربن 14 از طریق فتوسنتز وارد گیاهان می شود.
تابش زمین
از تعداد زیادی رادیونوکلئیدهایی که با زمین تشکیل شده اند، تنها تعداد کمی از آنها نیمه عمر کافی برای توضیح وجود فعلی خود دارند. اگر سیاره ما حدود 6 میلیارد سال پیش تشکیل شده باشد، برای باقی ماندن در مقادیر قابل اندازه گیری به نیمه عمر حداقل 100 میلیون سال نیاز دارد. از میان رادیونوکلئیدهای اولیه کشف شده تاکنون، سه مورد از بیشترین اهمیت را دارند. منبع اشعه ایکس K-40، U-238 و Th-232 است. اورانیوم و توریم هر کدام زنجیره ای از محصولات فروپاشی را تشکیل می دهند که تقریباً همیشه در حضور ایزوتوپ اصلی هستند. اگرچه بسیاری از رادیونوکلئیدهای دختر عمر کوتاهی دارند، اما در محیط رایج هستند زیرا دائماً از مواد اولیه با عمر طولانی تشکیل می شوند.
سایر منابع اولیه اشعه ایکس با عمر طولانی، به طور خلاصه، در غلظت های بسیار پایین هستند. اینها Rb-87، La-138، Ce-142، Sm-147، Lu-176، و غیره هستند. نوترونهای طبیعی بسیاری از رادیونوکلئیدهای دیگر را تشکیل می دهند، اما غلظت آنها معمولاً بسیار کم است. معدن Oklo در گابن، آفریقا، حاوی شواهدی از یک "رآکتور طبیعی" است که در آن واکنش های هسته ای رخ داده است. کاهش U-235 و وجود محصولات شکافت در یک ذخایر غنی اورانیوم نشان می دهد که یک واکنش زنجیره ای خود به خود القا شده در اینجا حدود 2 میلیارد سال پیش رخ داده است.
اگرچه رادیونوکلئیدهای اولیه در همه جا وجود دارند، غلظت آنها بسته به مکان متفاوت است. اصلیمخزن رادیواکتیویته طبیعی لیتوسفر است. علاوه بر این، به طور قابل توجهی در داخل لیتوسفر تغییر می کند. گاهی اوقات با انواع خاصی از ترکیبات و کانی‌ها همراه است، گاهی اوقات کاملاً منطقه‌ای است و با انواع سنگها و کانی‌ها همبستگی کمی دارد.
توزیع رادیونوکلئیدهای اولیه و محصولات فروپاشی نتاج آنها در اکوسیستم های طبیعی به عوامل زیادی از جمله خواص شیمیایی هسته ها، عوامل فیزیکی اکوسیستم و ویژگی های فیزیولوژیکی و اکولوژیکی گیاه و جانور بستگی دارد. هوازدگی سنگها، مخزن اصلی آنها، U، Th و K خاک را تامین می کند. محصولات پوسیدگی Th و U نیز در این انتقال مشارکت دارند. از خاک، K، Ra، کمی U و بسیار کمی Th جذب گیاهان می شود. آنها از پتاسیم-40 به همان روشی استفاده می کنند که K پایدار رادیوم، محصول پوسیدگی U-238، توسط گیاه استفاده می شود، نه به این دلیل که ایزوتوپ است، بلکه به این دلیل که از نظر شیمیایی نزدیک به کلسیم است. جذب اورانیوم و توریم توسط گیاهان به طور کلی ناچیز است زیرا این رادیونوکلئیدها معمولاً نامحلول هستند.
رادون
مهمترین منبع تابش طبیعی عنصر بی مزه و بی بو است، گازی نامرئی که 8 برابر سنگین تر از هوا، رادون است. این ایزوتوپ از دو ایزوتوپ اصلی تشکیل شده است - رادون-222، یکی از محصولات فروپاشی U-238، و رادون-220، که در طی تجزیه Th-232 تشکیل شده است.
سنگ ها، خاک، گیاهان، حیوانات رادون را در جو منتشر می کنند. گاز محصول فروپاشی رادیوم است و در هر ماده ای تولید می شودکه حاوی آن است. از آنجایی که رادون یک گاز بی اثر است، می تواند از سطوحی که در تماس با جو هستند آزاد شود. مقدار رادونی که از یک توده سنگ معین خارج می شود به مقدار رادیوم و سطح آن بستگی دارد. هرچه سنگ کوچکتر باشد، رادون بیشتری می تواند آزاد کند. غلظت Rn در هوا در کنار مواد حاوی رادیوم به سرعت هوا نیز بستگی دارد. در زیرزمین ها، غارها و معادنی که گردش هوای ضعیفی دارند، غلظت رادون می تواند به سطوح قابل توجهی برسد.
Rn به سرعت تجزیه می شود و تعدادی رادیونوکلئید دختر را تشکیل می دهد. پس از تشکیل در اتمسفر، محصولات تجزیه رادون با ذرات گرد و غبار ریز ترکیب می شوند که روی خاک و گیاهان می نشینند و توسط حیوانات نیز استنشاق می شوند. بارندگی به ویژه در پاکسازی عناصر رادیواکتیو از هوا مؤثر است، اما برخورد و ته نشین شدن ذرات آئروسل نیز به رسوب آنها کمک می کند.
در آب و هوای معتدل غلظت رادون داخلی به طور متوسط 5 تا 10 برابر بیشتر از فضای باز است.
در طول چند دهه گذشته، انسان به طور "مصنوعی" چند صد رادیونوکلئید، اشعه ایکس مرتبط، منابع، خواصی را تولید کرده است که در پزشکی، ارتش، تولید نیرو، ابزار دقیق و اکتشاف مواد معدنی کاربرد دارند.
تأثیر فردی منابع تابش مصنوعی بسیار متفاوت است. اکثر مردم دوز نسبتا کمی از تابش مصنوعی دریافت می کنند، اما برخی از آنها هزاران برابر بیشتر از منابع طبیعی تابش دریافت می کنند. منابع دست ساز بهتر هستندکنترل شده از طبیعی.
منابع اشعه ایکس در پزشکی
در صنعت و پزشکی معمولاً فقط از رادیونوکلئیدهای خالص استفاده می شود که شناسایی مسیرهای نشت از مکان های ذخیره سازی و فرآیند دفع را ساده می کند.
استفاده از پرتودرمانی در پزشکی گسترده است و پتانسیل تأثیر قابل توجهی را دارد. این شامل منابع اشعه ایکس است که در پزشکی برای: استفاده می شود
- تشخیص؛
- درمان؛
- روش های تحلیلی؛
- pacing.
برای تشخیص، هم از منابع مهر و موم شده و هم از طیف گسترده ای از ردیاب های رادیواکتیو استفاده می شود. موسسات پزشکی به طور کلی بین این کاربردها به عنوان رادیولوژی و پزشکی هسته ای تمایز قائل می شوند.
آیا لوله اشعه ایکس منبع پرتوهای یونیزان است؟ توموگرافی کامپیوتری و فلوروگرافی روش های تشخیصی شناخته شده ای هستند که با کمک آن انجام می شوند. علاوه بر این، کاربردهای زیادی از منابع ایزوتوپی در رادیوگرافی پزشکی، از جمله منابع گاما و بتا، و منابع آزمایشی نوترون برای مواردی که دستگاه های اشعه ایکس نامناسب، نامناسب یا ممکن است خطرناک باشند، وجود دارد. از نقطه نظر زیست محیطی، تشعشعات رادیوگرافی خطری ایجاد نمی کند تا زمانی که منابع آن پاسخگو باشند و به درستی دفع شوند. در این زمینه، تاریخچه عناصر رادیوم، سوزن های رادون و ترکیبات شب تاب حاوی رادیوم دلگرم کننده نیست.
منابع پرمصرف اشعه ایکس بر اساس 90Srیا 147 بعد از ظهر. ظهور 252Cf به عنوان یک مولد نوترون قابل حمل، رادیوگرافی نوترونی را به طور گسترده ای در دسترس قرار داده است، اگرچه به طور کلی این تکنیک هنوز به شدت به در دسترس بودن راکتورهای هسته ای بستگی دارد.
پزشکی هسته ای
مهمترین خطرات زیست محیطی برچسب های رادیوایزوتوپ در پزشکی هسته ای و منابع اشعه ایکس است. نمونه هایی از تأثیرات ناخواسته به شرح زیر است:
- پرتودهی بیمار؛
- پرتودهی کارکنان بیمارستان؛
- قرار گرفتن در معرض در هنگام حمل و نقل مواد دارویی رادیواکتیو؛
- تاثیر در طول تولید؛
- قرار گرفتن در معرض زباله های رادیواکتیو.
در سال‌های اخیر، روندی به سمت کاهش قرار گرفتن در معرض بیماران از طریق معرفی ایزوتوپ‌های کوتاه‌مدت با اثر محدودتر و استفاده از داروهای بسیار موضعی‌تر وجود داشته است.
نیمه عمر کوتاه‌تر تأثیر مواد زائد رادیواکتیو را کاهش می‌دهد، زیرا بیشتر عناصر با عمر طولانی از طریق کلیه‌ها دفع می‌شوند.
تاثیر زیست محیطی فاضلاب به نظر نمی رسد به بستری یا سرپایی بودن بیمار بستگی داشته باشد. در حالی که بیشتر عناصر رادیواکتیو آزاد شده احتمالاً کوتاه مدت هستند، اثر تجمعی آن بسیار بیشتر از سطح آلودگی تمام نیروگاه های هسته ای است.
متداول ترین رادیونوکلئیدهای مورد استفاده در پزشکی منابع اشعه ایکس هستند:
- 99mTc - اسکن جمجمه و مغز، اسکن خون مغز، قلب، کبد، ریه، اسکن تیروئید، محل یابی جفت؛
- 131I - خون، اسکن کبد، مکان یابی جفت، اسکن تیروئید و درمان؛
- 51Cr - تعیین مدت زمان وجود گلبول های قرمز یا جداسازی، حجم خون؛
- 57Co - آزمون شیلینگ؛
- 32P - متاستازهای استخوانی.
استفاده گسترده از روش‌های رادیو ایمونواسی، آنالیز ادرار و سایر روش‌های تحقیقاتی با استفاده از ترکیبات آلی نشان‌دار، استفاده از آماده‌سازی سوسوزن مایع را به طور قابل‌توجهی افزایش داده است. محلول های آلی فسفر، معمولا بر پایه تولوئن یا زایلن، حجم نسبتا زیادی از زباله های آلی مایع را تشکیل می دهند که باید دفع شوند. فرآوری به شکل مایع به طور بالقوه خطرناک و از نظر محیطی غیرقابل قبول است. به همین دلیل، سوزاندن زباله ها ترجیح داده می شود.
از آنجایی که عمر طولانی 3H یا 14C به راحتی در محیط حل می شود، قرار گرفتن در معرض آنها در محدوده طبیعی است. اما اثر تجمعی می تواند قابل توجه باشد.
یکی دیگر از کاربردهای پزشکی رادیونوکلئیدها استفاده از باتری های پلوتونیومی برای نیرو دادن به ضربان سازها است. امروزه هزاران نفر زنده هستند زیرا این دستگاه ها به عملکرد قلب آنها کمک می کنند. منابع مهر و موم شده 238Pu (150 GBq) با جراحی در بیماران کاشته می شوند.
اشعه ایکس صنعتی: منابع، خواص، کاربردها
پزشکی تنها حوزه ای نیست که این بخش از طیف الکترومغناطیسی در آن کاربرد پیدا کرده است. رادیوایزوتوپ ها و منابع پرتو ایکس مورد استفاده در صنعت بخش قابل توجهی از وضعیت تشعشعات تکنولوژیکی هستند. نمونه های کاربردی:
- رادیوگرافی صنعتی;
- اندازه گیری تشعشع؛
- آشکارسازهای دود؛
- مواد خودنور؛
- کریستالوگرافی اشعه ایکس؛
- اسکنر برای غربالگری چمدان و چمدان دستی؛
- لیزر اشعه ایکس;
- سینکروترون؛
- سیکلوترون.
از آنجایی که بیشتر این کاربردها شامل استفاده از ایزوتوپ های محصور شده است، قرار گرفتن در معرض تشعشع در طول حمل و نقل، انتقال، نگهداری و دفع رخ می دهد.
آیا لوله اشعه ایکس منبع پرتوهای یونیزان در صنعت است؟ بله، در سیستم های آزمایش غیر مخرب فرودگاهی، در مطالعه کریستال ها، مواد و سازه ها و در کنترل صنعتی استفاده می شود. طی دهه های گذشته، دوزهای قرار گرفتن در معرض تشعشعات در علم و صنعت به نصف ارزش این شاخص در پزشکی رسیده است. بنابراین سهم قابل توجه است.
منابع اشعه ایکس محصور شده به خودی خود تأثیر کمی دارند. اما حمل و نقل و دفع آنها زمانی که گم می شوند یا به اشتباه در محل دفن زباله رها می شوند نگران کننده است. چنین منابعیاشعه ایکس معمولاً به صورت دیسک یا سیلندر دوبل مهر و موم شده عرضه و نصب می شود. کپسول ها از فولاد ضد زنگ ساخته شده اند و نیاز به بررسی دوره ای برای نشتی دارند. دفع آنها می تواند مشکل ساز باشد. منابع کوتاه مدت ممکن است ذخیره و تخریب شوند، اما حتی در این صورت نیز باید به درستی در نظر گرفته شوند و مواد فعال باقیمانده باید در یک مرکز دارای مجوز دفع شوند. در غیر این صورت کپسول ها باید به موسسات تخصصی ارسال شوند. قدرت آنها مواد و اندازه بخش فعال منبع اشعه ایکس را تعیین می کند.
مکان ذخیره منبع اشعه ایکس
یک مشکل رو به رشد، از کار انداختن و بی خطرسازی سایت های صنعتی است که در آن مواد رادیواکتیو در گذشته ذخیره شده اند. اینها عمدتاً تأسیسات بازفرآوری هسته‌ای قدیمی‌تر هستند، اما صنایع دیگری مانند کارخانه‌های تولید علائم تریتیوم خودنور باید درگیر شوند.
منابع سطح پایین با عمر طولانی، که گسترده هستند، مشکل خاصی هستند. به عنوان مثال، 241Am در آشکارسازهای دود استفاده می شود. علاوه بر رادون، اینها منابع اصلی تابش اشعه ایکس در زندگی روزمره هستند. به طور جداگانه، آنها هیچ خطری ندارند، اما تعداد قابل توجهی از آنها ممکن است در آینده مشکل ایجاد کنند.
انفجارهای هسته ای
در طول 50 سال گذشته، همه در معرض تشعشعات ناشی از آزمایش سلاح های هسته ای قرار گرفته اند. اوج آنها در1954-1958 و 1961-1962.
در سال 1963، سه کشور (اتحادیه شوروی، ایالات متحده آمریکا و بریتانیای کبیر) توافقنامه ای را در مورد ممنوعیت جزئی آزمایش های هسته ای در جو، اقیانوس و فضا امضا کردند. در طول دو دهه بعد، فرانسه و چین یک سری آزمایشات بسیار کوچکتر انجام دادند که در سال 1980 متوقف شد.
آلودگی رادیواکتیو ناشی از آزمایشات جوی در نزدیکی محل انفجار قرار می گیرد. برخی از آنها در تروپوسفر باقی می مانند و توسط باد در همان عرض جغرافیایی به سراسر جهان منتقل می شوند. در حین حرکت، روی زمین می افتند و حدود یک ماه در هوا می مانند. اما بیشتر آنها به استراتوسفر رانده می شوند، جایی که آلودگی برای ماه ها باقی می ماند و به آرامی در سراسر سیاره فرو می رود.
ریزش رادیواکتیو شامل صدها رادیونوکلئید مختلف است، اما فقط تعداد کمی از آنها می توانند بر بدن انسان تأثیر بگذارند، بنابراین، اندازه آنها بسیار کوچک است و پوسیدگی سریع است. مهمترین آنها C-14، Cs-137، Zr-95 و Sr-90 هستند.
Zr-95 نیمه عمر 64 روز دارد، در حالی که Cs-137 و Sr-90 حدود 30 سال دارند. فقط کربن 14 با نیمه عمر 5730 در آینده فعال باقی خواهد ماند.
انرژی هسته ای
نیروی هسته ای بحث برانگیزترین منبع تشعشعات انسانی است، اما تأثیر بسیار کمی بر سلامت انسان دارد. در طول عملیات عادی، تاسیسات هسته ای مقادیر ناچیزی تشعشعات را در محیط منتشر می کنند. فوریه 2016442 رآکتور هسته ای غیرنظامی در 31 کشور فعال بودند و 66 راکتور دیگر در دست ساخت بودند. این تنها بخشی از چرخه تولید سوخت هسته ای است. این کار با استخراج و آسیاب سنگ معدن اورانیوم آغاز می شود و با ساخت سوخت هسته ای ادامه می یابد. پیل های سوختی پس از استفاده در نیروگاه ها گاهی اوقات برای بازیابی اورانیوم و پلوتونیوم مجدداً پردازش می شوند. در نهایت این چرخه با دفع زباله های هسته ای به پایان می رسد. در هر مرحله از این چرخه، مواد رادیواکتیو می توانند آزاد شوند.
حدود نیمی از تولید سنگ معدن اورانیوم جهان از چاله های روباز و نیمی دیگر از معادن حاصل می شود. سپس در سنگ شکن های مجاور خرد می شود که مقدار زیادی زباله تولید می کند - صدها میلیون تن. این ضایعات تا میلیون‌ها سال پس از توقف فعالیت کارخانه، رادیواکتیو باقی می‌مانند، اگرچه تشعشع بخش بسیار کمی از پس‌زمینه طبیعی است.
پس از آن، اورانیوم از طریق پردازش بیشتر و خالص سازی در کارخانه های غنی سازی به سوخت تبدیل می شود. این فرآیندها منجر به آلودگی هوا و آب می شود، اما آنها بسیار کمتر از سایر مراحل چرخه سوخت هستند.
