В. Зотов

Измерители интенсивности и дозы

В последние десятилетия, наряду с общим ухудшением экологической обстановки на планете, глобальным изменением климата, загрязнением атмосферы и водной среды, возникла и вс╦ сильнее да╦т о себе знать ещ╦ одна проблема, связанная с пагубным влиянием на здоровье человека - проблема передозировки ультрафиолетовой (УФ) составляющей солнечного излучения. Вредное воздействие УФ-излучения на человеческий организм существовало всегда, но глобальное уменьшение озонового слоя земли, обусловленное производственной деятельностью, образование "озоновых дыр", увеличение количества времени, проводимого на открытом воздухе на берегах водо╦мов, в горах, в соляриях в зимнее время года, вызывает необходимость ж╦сткого мониторинга дозы УФ-облучения, получаемой человеческим организмом за определ╦нный промежуток времени и своевременного предупреждения при е╦ превышении максимально допустимого уровня.

В [1,2] привед╦н подробный анализ уже хорошо изученных результатов вредного воздействия различных составляющих УФ-излучения на организм человека. К привед╦нным в работах фактам следует добавить то, что имеются серь╦зные основания полагать, что статистически значительно более частое возникновение онкологии молочных жел╦з у женщин, прибывших из северных стран в места с повышенным УФ-фоном (в сравнении с резидентами), также связано с его вредным воздействием.

Диапазон длин волн УФ-излучения (УФИ) Солнца, достигающих земной поверхности, лежит в пределах 180√400 нм и условно раздел╦н на три поддиапазона: А - 320÷400 нм, В - 240÷320 нм и С - 180÷240 нм. Наиболее биологически активная компонента ультрафиолетового излучения солнца с длинами волн менее 180 нм практически полностью поглощается атмосферой. Основная часть длинноволновой составляющей (320÷400 нм) достигает поверхности Земли, однако е╦ биологическая эффективность невелика. Радиация с длинами волн 180÷320 нм хотя и поглощается частично озоновым слоем, оказывает сильное влияние на биосферу и человека.

Бактерицидное и мутагенное действие ультрафиолетового излучения обусловлено тем, что энергии УФ-кванта достаточно для того, чтобы переместить электрон в атоме с внутреннего на внешний уровень, перевести атом в нестабильное состояние и увеличить его склонность к участию в химических реакциях.

Облучение кожи в достаточно высоких дозах вызывает возникновение воспаления, или эритемы. Спектр эритемного действия УФИ имеет максимум на 297 нм и глубокий спад около 280 нм с увеличением эффективности при дальнейшем уменьшении длины волны. Величина минимальной эритемной дозы (МЭД) изменяется в широких пределах в соответствии с этническими и расовыми различиями в пигментированности кожи (от 150 до 2000 Дж/м2), е╦ среднее значение для нормальной незагорелой ко-жи принято считать равным 200 Дж/м2. При воздействии минимальной эритемной дозы эритема развивается через 1√8 ч. и сохраняется в течение суток и более. С увеличением дозы период развития эритемы убывает, а степень выраженности и длительность существования эритемы растут. В ряде случаев для оценки степени облученности используется понятие допустимой дозы УФ-радиации или 1 TLV (Threshold Limit Value for Ultraviolet Radiation), которая равна 30 Дж/м2. Превышение этой дозы считается потенциально вредным для здоровья. После получения дозы 1 TLV рекомендуется защититься от воздействия активного солнца, в том числе, и с использованием защитных кремов.

Важным следствием облучения в больших дозах являются угнетение потоотделения и снижение сенсорной чувствительности кожи, а также ухудшение общего состояния организма, повидимому, обусловленное выбросом в циркуляцию избыточного количества физиологически активных веществ. Ультрафиолет играет важную роль в обеспечении организма витамином Д3, регулирующим процесс фосфорно-кальциевого обмена. Дефицит витамина Д3 вызывает рахит и кариес. Сектор УФ-излучения для синтеза витамина Д3 аналогичен эритемному и имеет максимум в диапазоне 295√300 нм. В случае хронического облучения с малой интенсивностью некоторые из перечисленных изменений состояния кожи можно наблюдать без возникновения эритемы. Поступающие в кровь физиологически активные вещества являются одной из основных причин тонизирующего действия УФ-излучения, а продолжительная активация синтеза меланина, ДНК и белков увеличивает пигментацию и толщину рогового слоя кожи, повышая е╦ сопротивляемость к последующим облучениям. Несмотря на это, многократные ультрафиолетовые облучения и длительное пребывание на открытом солнце не проходят бесследно. Кожа изменяет поверхностную структуру, повреждаются е╦ глубокие слои, она становится ломкой и склонной к повреждению при малейшей травме - развивается так называемый фотоэластоз, который многие исследователи считают предраковым состоянием. Этот эффект необратим, он сопровождается изменением функционального состояния кожи и, прежде всего, ухудшением способности организма подавлять раковые клетки (эффект иммуносупрессии). Эффект иммуносупрессии наблюдается как у пигментированных, так и у непигментированных людей и не коррелирует с возникновением эритемы. Он ч╦тко регистрируется в диапазоне длин волн от 250 до 320 нм с максимумом при 270 нм, не зависит от интенсивности излучения, а определяется суммарной дозой. Кратковременные воздействия УФ-излучения в относительно малых дозах вызывают лишь локальный эффект в облученном участке, при воздействии с достаточно большой накопленной дозой страдает вся система иммунитета человека. Дозы, необходимые для подавления отторжения опухолевого трансплантата, приближаются к канцерогенным (100√200 Дж/м2). Фотоиммунные реакции являются одной из причин увеличения частоты онкологических заболеваний (прежде всего, кожи) в зонах повышенной интенсивности естественного УФ-излучения. Другим следствием иммуносупрессии могут быть снижение сопротивляемости к инфекциям и изменение характера течения и исхода инфекционных заболеваний. Весьма вероятным также является снижение эффективности вакцинации.

Онкогенный спектр действия УФ-излучения близок к аналогичному для эритемы, загара и синтеза витамина Д3. Канцерогенное воздействие УФ-излучения аккумулируется в течение длительного периода времени, прич╦м редкие периоды интенсивного облучения много опаснее постоянного воздействия с малой интенсивностью при той же суммарной дозе.

Типичной патологией глаз при воздействии УФ-излучения являются острое воспаление роговицы и конъюнктивиты. В зависимости от интенсивности и дозы воздействия, заболевание развивается через 0,2√24 ч. после облучения, сопровождается ощущением присутствия в глазу тв╦рдого тела, слезотечением, светобоязнью и блефароспазмом. В отличие от кожи, глаз не вырабатывает устойчивости к повышенным дозам УФ, и после нового облучения возникают те же заболевания. Наиболее опасным для поражения глаз является диапазон В с максимумом 270 нм. Длительное воздействие УФ-излучения может вызвать катаракты, дегенерацию роговицы и сетчатки, а также онкологию сосудистой оболочки глаза. Максимально опасно в отношении воздействия на зрение УФ-излучение с длиной волны в районе 300 нм, при этом минимальная доза облучения - около 100 Дж/м2.

Потенциальными группами риска в отношении вредного воздействия УФ-излучения являются:

• загорающие и туристы;
• посетители соляриев;
• спортсмены, тренировки которых проходят на открытом воздухе или в горах;
• рабочие промышленных производств, использующих УФ-излучение в технологическом цикле, либо сопровождающиеся УФ-излучением технологические процессы, например, сварка и др.;
• лица, работающие на открытых пространствах (полицейские, дорожные рабочие, моряки, альпинисты, полярники).

В некоторых странах защита населения от вредного воздействия УФ-излучения приобрела общегосударственное значение. Например, в Австралии, где наблюдаются обширные "озоновые дыры", разработаны и применяются специальные государственные нормативы, ограничивающие работы на открытом воздухе в дневное время.

Для защиты от передозировки УФ-излучения, кроме использования закрытых видов одежды и специальных солнцезащитных кремов, в последнее время стали широко внедряться индивидуальные УФ-дозиметры и измерители интенсивности. На рынке приборов для индивидуального мониторинга УФ-составляющей солнечного излучения имеются дозиметры двух типов:

• дозиметры, дающие качественный результат, то есть показывающие, что получена некоторая доза УФ-облучения, возможно, опасная для здоровья;
• дозиметры, дающие количественный результат на цифровом индикаторе, либо подающие световой или звуковой сигнал при достижении заранее заданной дозы облучения.

В первом типе дозиметров используются сенсоры, основанные на фотохромных превращениях органических соединений различного типа (спиросоединения, арилоксихиноны, дитизонаты металлов, тиоиндигоидные красители, формазаны, анилы и др.), кристаллы, изменяющие свою окраску, халькогенидные стекла, изменяющие коэффициент пропускания под воздействием УФ-излучения.

Дозиметры этого типа наиболее простые в эксплуатации, не требуют использования источников питания и очень дешевы ($5√10). Однако, они обладают весьма серь╦зными недостатками, делающими их малопригодными для реальной защиты от передозировки УФ-излучения. Прежде всего, это субъективность оценки получаемой дозы, зависящей от особенностей зрения пользователя (дальтоники вообще не могут пользоваться), большой разброс параметров (изменение цвета), ограниченный диапазон энергетической экспозиции (меньше 150 Дж/м2), ограниченный срок службы (менее 100 экспозиций), длительный период восстановления (10√12 часов). Типичным представителем такого типа дозиметров является "Солнечный талисман" [3]. Принцип действия "Солнечного талисмана" заключается в том, что под воздействием излучения кристалл индикатора изменяет окраску с бесцветной на синюю. Такое изменение цвета означает, что доза УФ-В радиации, которую получила кожа, составляет 30 Дж/м2 или 1 TLV. Эта доза безопасна, однако дальнейшее пребывание на солнце может быть вредным для здоровья. Время, в течение которого будет получен 1 TLV, зависит от солнечной активности и состояния атмосферы и составляет от 10 минут до нескольких часов. После получения дозы 1 TLV целесообразно защититься от воздействия, в том числе, и с использованием защитных кремов.

Облученный кристалл УФ-В индикатора через 10√12 часов возвращается к исходному состоянию (обесцвечивается) под воздействием видимого света (при отсутствии УФ-излучения). Оптимально поместить индикатор на солнечный свет за оконным стеклом, защищающим от УФ-излучения или под лампу накаливания.

Количество циклов "приобретение√сброс окраски" у кристалла составляет от 50 до 100, в зависимости от степени облучения и, соответственно, степени окрашивания. Конструктивно индикатор выполнен в виде украшений (кулонов различного дизайна). Возможно и другое исполнение по желанию заказчика.

Реальный практический интерес представляют дозиметры второго типа, то есть приборы, производящие измерение интенсивности УФ-излучения или полученной дозы в реальных физических единицах измерения. Следует отметить, что подавляющее большинство таких дозиметров имеют слишком большую стоимость для индивидуального использования. Их основой служат полупроводниковые сенсоры УФ-излучения двух видов: узкополосные, спектральная чувствительность которых лежит в пределах одного из поддиапазонов УФ-спектра (А, В или С) и широкополосные, то есть сенсоры, работающие в двух смежных или сразу во всех тр╦х поддиапазонах. Естественно, спектральная чувствительность последних существенно различна на отдельных поддиапазонах УФ-излучения, но для бытовых целей их использование вполне целесообразно, прежде всего, по соображениям более низкой стоимости. По принципу преобразования "излучение - электрический сигнал" все фотонные детекторы делятся на приборы с мгновенным фотооткликом и приборы, работающие в режиме накопления заряда. Время накопления может изменятся от единиц до нескольких десятков минут. Для создания недорогих и достаточно точных дозиметров второй тип более пригоден. Это объясняется тем, что на прохождение и поглощение УФ-излучения Солнца оказывают влияние многие динамично меняющиеся факторы: в первую очередь, мгновенная солнечная активность, изменения толщины озонового слоя, влажность и запыл╦нность атмосферы, скорость перемещения воздушных потоков и др. Поэтому сигнал, полученный кумулятивно, в режиме накопления заряда, отслеживает меняющиеся во времени мгновенные значения интенсивности УФ- излучения, что позволяет измерять дозу облучения во времени с более высокой точностью.

Рассмотрим некоторые из имеющихся на рынке приборов для мониторинга УФ-излучения. Американская фирма Cole-Parmer предлагает несколько типов измерителей интенсивности УФ-излучения со стрелочным и цифровыми индикаторами [4]. В них используются сменные узкополосные сенсоры, работающие в режиме мгновенного фотоотклика, с максимумами спектральной чувствительности на 254, 312 и 365 нм. Радиометры Cole-Parmer позволяют контролировать мгновенное значение интенсивности УФ-излучения (до 2000 Вт/м2) в поддиапазонах А, В и частично в С, обладают хорошими точностными возможностями (погрешность <5%), измеряют суммарную дозу облучения до 200 МЭД/час, однако, для индивидуального использования малопригодны в силу своей громоздкости (размеры корпуса 200x100x40 мм) и чрезвычайно высокой стоимости (>$1500). Фирма Apogee Instruments Inc. предлагает два типа измерителей мгновенного значения интенсивности УФ-излучения: UVM со встроенным широкополосным сенсором (250√400 нм) и UVM-SS c сенсором, подключаемым через 2-м кабель к микропроцессорному пересч╦тному блоку размерами 125x70x25 мм [5]. Приборы измеряют только мгновенное значение интенсивности с погрешностью до 10√15%, но для широкого использования также малопригодны по своей высокой цене - $200√300. Японская фирма Tanita Corporation предлагает индивидуальные измерители УФ-излучения "UV Smart" [6], позволяющие раздельно контролировать диапазоны излучений А и В с погрешностью 20√25%, что приемлемо для бытовых целей, с уч╦том цены - $50.

Интенсивность излучения на экране дисплея характеризуется как "слабая", "средняя", "сильная" и "очень сильная". В описании к "UV Smart" да╦тся примерный перечень мер, которые необходимо принять для защиты от каждой из категорий интенсивности, и даются номера соответствующих защитных кремов. В данном случае японские производители используют так называемый "синергидный" эффект, при котором реализация одного вида продукции способствует продвижению на рынок другой. Измеритель выполнен в виде изящного овала (приблизительно 50x25x15 мм), цена $50.

Наиболее совершенным с технической точки зрения и приемлемым по цене ($30) представляется измеритель интенсивности УФ-излучения "UV Monitor", предлагаемый фирмой South Seas Trading Co., Hawaie [7]. В этом дозиметре использован широкополосный кремниевый сенсор (250√400 нм). "UV Smart" позволяет измерять мгновенное значение интенсивности с погрешностью 15√20%, работать в режиме вычисления дозы облучения во времени с подачей сигнала тревоги с уч╦том номера защитного крема, типа кожи и мгновенного значения интенсивности УФ-излучения. Однако, реально "UV Monitor" вычисляет не дозу облучения, а время относительно безопасного нахождения на солнце при однократно замеренной интенсивности. В автоматическом режиме замеры интенсивности периодически повторяются и производится коррекция этого времени, что несколько уменьшает ошибку в определении дозы. Информация на ЖК-индикаторе выда╦тся в виде индекса интенсивности (от 1 до 10) и номера рекомендуемого защитного крема. Дозиметр выполняется в виде кулона, броши или наручных часов размерами 57x31x16 мм. Естественно, "UV Monitor" вс╦ время работы должен находиться с пользователем и быть обращ╦н к солнцу. Хотя понятие дозы облучения в данном случае весьма условно и не является реально измеренной величиной. Использование "UV Monitor" полезно уже тем, что он по прошествии некоторого расч╦тного времени напоминает пользователю об опасности длительного нахождения на открытом солнце.

Наиболее перспективными бытовыми дозиметрами УФ-облучения, как с технической точки зрения (простота реализации, миниатюрность и достаточно высокая точность измерения), так и в плане низкой стоимости при массовом производстве (единицы долларов), являются дозиметры, построенные на основе одной из модификаций Z-сенсоров [8,9,10]. В начале 1990-х годов была разработана модификация p-n-структур с L-образной ВАХ, чувствительная к УФ-излучению и реализующая принцип накопления заряда в области спектра 240√400 нм [11]. При этом в длинноволновой области (до 1200 нм) структура работает в режиме мгновенного фотоотклика. В прямой зависимости от интенсивности и длительности воздействия УФ-излучения изменяются некоторые феноменологические параметры структуры, и е╦ внутреннее сопротивление изменяется многократно (до 200 и более раз). Процесс накопления заряда весьма длительный (десятки минут), может регулироваться схемным пут╦м и устанавливаться в соответствии с длительностью накопления эритемной дозы облучения для разных типов кожи пользователей. В этом случае измерение дозы УФ-облучения сводится к простому измерению внутреннего сопротивления структуры при е╦ прямом включении. На рис. 1 приведена принципиальная схема дозиметра. Резистор R служит для установки дозы облучения, при достижении которой начинает работать сигнализатор дозы, например, звуковой генератор (ЗГ). На рис. 2 показано изменение падения напряжения DUR на резисторе R, которое в данном случае является напряжением питания модуля звукового генератора.

Рисунок 1. Схема дозиметра с Z-сенсором

Рисунок 2. Характер изменения DUR(t)

В зависимости от интенсивности УФ-излучения (I) и его изменений во времени, скорость нарастания падения напряжения на резисторе R меняется и соответственно меняется время t накопления опасной дозы облучения. Звуковой генератор начинает работать при увеличении падения напряжения до величины Uзг, соответствующего типу кожи пользователя дозиметра. Возврат параметров структуры в исходное состояние происходит через 20√40 минут после окончания действия УФ-излучения. Важно отметить, что феноменологические изменения под воздействием УФ-излучения происходят независимо от источника питания, который в данном случае нужен лишь для считывания информации с Z-сенсора и функционирования измерительного прибора или сигнализатора критической дозы облучения. Погрешность контроля дозы облучения не превышает 10%, что вполне приемлемо для бытовых приборов. Дозиметры могут быть выполнены в объ╦мах, определяемых только размерами индикатора или сигнализатора дозы и дисковой батареи питания 1,5√3 В. Габариты Z-сенсора УФ-излучения составляют 5x2x1 мм.

В заключение следует отметить, что измерители и дозиметры УФ-излучения, являясь валеологическими приборами (приборами, выполняющими мониторинг здоровья здоровых людей), не нуждаются в сертификации надзорных национальных органов здравоохранения.

Литература

1. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека. М.: Мир, 1990. Т. 2. С. 223√224.
2. Космическая биология и медицина. М.: Наука, 1997. Т. 3. Ч. 2. С. 31√235.
3. http://icsti.su/Russian/Techtrans-r/techtrans-r/technologies-r/1215r.html.
4. Каталог Cole-Parmer Instrument Co., 2001/2002. С. 2062√206.
5. http://www.apogee-inst.com.
6. http://www.tanita.com.
7. http://www.south-seas.com.
8. А.С. ╧1739402. Полупроводниковая структура и способ управления проводимостью полупроводниковой структуры. Изобретения. 1992.
9. Vladislav D. Zotov et al. Semiconductor Structures, Methods for Controlling Their Conductivity and Sensing Elements Based on These Semiconductor Structures. Pat. USA #5.742.092. April, 1996.
10. Зотов В.Д. Портативные измерители-накопители УФ излучения. Приборы и системы управления. 1997. ╧ 8.
11. Зотов В. Полупроводниковые много функциональные сенсоры широкого применения (Z-сенсоры) // Chip News. 1998. ╧ 4. С. 22√23.