Felhasználható szakirodalom

Átírás

1 Sugárvédelem II. Fejezetek: 1. Bevezetés (áttekintés - ismétlés): fizikai és biológiai dózisfogalmak; az ionizáló sugárzás károsító hatásai; sugárvédelmi elvek és szabályozás 2. A külső dózis- és dózisteljesítmény mérésének elve és kivitelezése 3. A belső sugárterhelés számítása. A belső sugárterhelés meghatározásához szükséges mérési eljárások 4. Környezeti és biológiai minták instrumentális analízise. Radon meghatározása. Igen kis aktivitások mérésének sajátosságai. 1

2 Felhasználható szakirodalom Fehér I., Deme S. (szerk.): Sugárvédelem (ELTE Eötvös Kiadó, Bp., 2010.) Kiss D., Horváth Á., Kiss Á.: Kísérleti atomfizika (ELTE Eötvös Kiadó, Bp., 1998) Előadásvázlat: 2

3 Követelmények Laboratóriumi gyakorlatok A félév 2. felében 4 órás bemutatók és feladatok 1) Egésztestszámlálás (MTA EK KVSZ) 2) Környezeti monitorozás (MTA EK KVSZ) 3) Radon mérése zárt térben és a környezetben (NTI) 4) TL dózismérők kalibrálása és kiértékelése (MTA EK SVL) 5) Microshield (NTI) 6) Vízvizsgálatok: trícium és összes béta mérések (MTA EK KVSZ) Vizsga: a félév végén, illetve (opcionálisan) 2 évközi dolgozatra osztva az anyagot. Dolgozatok: III. 23. és V. 28. III. 10. szombat: pénteki órarend 3

4 Bomlási módok E p (E m E kin ) E bs p: a bomlási folyamatban kibocsátott részecskék m: nyugalmi tömeg E i, kin : kinetikus (mozgási) energia E bs : a maradék nuklid visszaszórási energiája Bomlási módok: α, β ( közvetlen ),γ ( kísérő ), f (maghasadás, összetett ) Az alfa-bomlás során a gerjesztett atommag egy hélium atom pozitív elektromos töltésű atommagját bocsátja ki 3-9 MeV mozgási energiával. Az alfa-bomlás során az atommag tömegszáma 4-gyel, protonszáma 2-vel csökken, így az atommagon belül a protonok taszításából származó, a nukleonok kötését gyengítő elektrosztatikus energia is jelentősen csökken. Hajtóereje az erős kölcsönhatás. Diszkrét energiaváltozás: E kin jellemző az adott radioizotópra, de megoszlik a részecske mozgási energiájára és a visszalökött mag energiájára. Az alfa-bomlás hajtóereje a nukleonok közti erős kölcsönhatás. 4

5 Bomlási módok Béta-bomlás: A részecskékre jutó kinetikus energia változó arányban megoszlik az elektron/pozitron és a neutrínó/antineutrínó között, ezért az elektron(pozitron) kinetikus energiája nem diszkrét. A bomlás hajtóereje a nukleonok közti gyenge kölcsönhatás. 1) β - : elektron és antineutrínó kibocsátása n p + + e - + ν: a rendszám eggyel nő 2) β + : pozitron és neutrínó kibocsátása p + n + e + + ν: a rendszám eggyel csökken antianyag annihiláció: megsemmisülés e e 2 f 3) elektronbefogás (EC electron capture) neutrínó kibocsátása p + + e - n + ν: a rendszám eggyel csökken Az elfogyott pályaelektron pótlódik egy külső pályáról kísérő karakterisztikus röntgensugárzás keletkezik 5

6 Bomlási módok Gamma-átmenet: a magon belüli átrendeződés energiacsökkenéssel és ugyanakkor nyugalmi tömeggel és töltéssel nem rendelkező foton kibocsátásával jár. A γ-bomlás hajtóereje nem határozható meg közvetlenül, mint az α- és β-bomlásé, mert ez a bomlási mód csak más magátalakulások maradék energiájának leadása során következik be. A foton(ok) energiája diszkrét, azonos a megváltozott állapotú belső részecske által betöltött előző és következő energiaszint különbségével, ezért jellemző az adott radioizotópra. A mag belső energia-eloszlásának változása egyes esetekben (főként nagy tömegszámú magoknál és kisebb energiaváltozásoknál, Εγ<2-300 kev) nem foton kibocsátásával jár, hanem az energia egy, általában belső, szimmetrikus atompályán rezidens (azaz a magon belül is >0 valószínűséggel tartózkodó) elektron mozgási energiájává alakul. Ez a belső konverzió (internal conversion, IC), amit szintén karakterisztikus röntgenfoton kell, hogy kövessen. E E e E,kin e,köt A belső konverziós elektron energiája diszkrét! 6

7 A sugárzások és az anyagi közeg kölcsönhatása A közeg kölcsönhatásra képes alkotórészei: elektronok, az atom elektromágneses erőtere, atommag. A közeg és a sugárzás közötti kölcsönhatás szerint: - Közvetlenül ionizáló sugárzások: α, β, γ, röntgen az elektronoknak képesek azok ionizációjához elegendő energiát átadni. - Közvetve ionizáló sugárzás: neutron: atommagokkal való kölcsönhatás során ionizációra képes részecskéket kelt. Az elektronokkal való sokszoros ütközés nem minden esetben vezet azok ionizációjára. A sugárzás által több lépésben átadott energia egy jelentős része (>50 %-a) nem ionizációt, csak gerjesztést eredményez, azaz összességében a közeg termikus energiáját növeli meg. A gyorsan mozgó szabad töltéshordozók (α 2+, β - és β + -részecskék, ionizációra képes szekunder elektronok) az atomok elektromágneses terében fékeződve járulékos fotonsugárzást = folytonos röntgensugárzást kelthetnek. 7

8 Alfa- és bétasugárzás abszorpciója az anyagban R: hatótávolság (range) 8

9 Lineáris energiaátadási tényező (LET) alfa- és bétasugárzásra Bragg-csúcs LET = de/dx (stopping power = fékezőképesség) 9

10 Alfa- és bétasugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel α-sugárzás LET-értéke vízben: ~100 kev/μm Energiaátvitel: - elektronnal: ionizáció/gerjesztés; - atommaggal: egyes célmagokkal (pl. Be) [α,n] magreakció lehetséges (neutronforrások: Pu(Be), Am(Be)) a magreakciókat általában prompt γ- sugárzás megjelenése is kíséri Hatótávolság (range) vízben 40 μm (5,3 MeV-re), levegőben néhány cm. β-sugárzás LET-értéke vízben: <5 kev/μm (közepes energiákra <1 kev/μm) Energiaátvitel: - elektronnal ionizáció/gerjesztés; - atom elektromágneses erőterével: fékezési sugárzás (folytonos röntgensugárzás, energiája a közeg rendszámától is függ), Cserenkovsugárzás: az adott közegben érvényes fénysebességnél nagyobb sebességű elektron látható fényt is kibocsát. Hatótávolság (range) vízben mm - cm nagyságrendű, lényegesen kisebb, mint az energia-átvitelben részt vevő elektronok összes megtett úthossza. 10

11 Interactions of alpha-particles Nuclear reaction Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 11

12 Interactions of electrons Bremsstrahlung = X-rays Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 12

13 Interactions of positrons Annihilation photons Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 13

14 Közelítő összefüggések α-részecske hatótávolsága levegőben: R (cm) = 0,318.E 3/2 E: energia MeV-ben α-részecske hatótávolsága bármely anyagban: R m,α (g.cm -2 ) = 10-4 (A.E 3 ) 1/2 E: energia MeV-ben, A: az elnyelő anyag atomvagy molekulatömege. β-részecske hatótávolsága bármely anyagban: R m,β (g.cm -2 ) E max /2 E max : a maximális β-energia MeV-ben 14

15 Közvetett ionizáció A neutronok az általuk mozgásba hozott töltött részecskék révén, illetve az általuk aktivált atommagok prompt- és bomlási sugárzása révén okoznak közvetett ionizációt. A fotonok elektronnal ütközve ionizálnak, de az adott anyagban szabaddá váló töltések döntő részét a foton energiáját egészben vagy részben átvevő primer elektron energiája hozza létre. Ha a foton megmarad, valószínűleg egy távoli térfogatrészben lép újból kölcsönhatásba. 15

16 Interactions of neutrons Thermal neutron absorption Fast neutron spallation Inelastic scattering Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 16

17 Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel Foton energiaátadása részben hullám- részben anyagi természetű rendszernek ütközés Elektronnal (ionizáció többféle kölcsönhatásban, lásd később) Atommaggal (abszorpció, [γ,n] magreakció, csak >5 MeV energiaküszöb felett) Atom elektromágneses erőterével (küszöbreakció, csak >1,2 MeV energiánál)) Általános törvényszerűség: sztochasztikus (véletlenszerű) kölcsönhatás: nem minden ütközés hatásos Az energiát átvett elektronok kinetikus energiája: - További ionizációt okozhat; - Ionizáció nélküli gerjesztést okozhat; - Fékeződéssel szekunder fotonsugárzás (folytonos röntgensugárzás) keletkezik; - A kiütött elektron helyére belépő külső pályaelektron energiatöbblete karakterisztikus röntgensugárzást ad. 17

18 Gamma-sugárzás kölcsönhatásai teljes abszorpció A foton teljes kinetikus energiáját átadja a vele ütköző elektronnak. Mivel E f >> E ion, ezért az elektron nagy sebességgel távozik az atompályájáról. A foton megszűnik. E f = E e,kin + E e,ion (régebbi nevén: fotoeffektus) 18

19 Gamma-sugárzás kölcsönhatásai Compton-szórás A foton kinetikus energiát ad át a vele ütköző elektronnak. Mivel ΔE f >> E ion, ezért az elektron nagy sebességgel távozik az atompályájáról. A szórt foton az eredetinél kisebb energiával továbbhalad. E f = E f + E e,kin + E e,ion 19

20 Gamma-sugárzás kölcsönhatásai - párkeltés A foton az atom (az atommaghoz és az elektronokhoz egyaránt tartozó) elektromágneses erőterével lép kölcsönhatásba: átadja teljes energiáját és megszűnik. Az átvett energiából az atommag erőterében egy e - és e + (pár) keletkezik. E f =E e-,m +E e-,kin +E e+,m +E e+,kin Csak akkor lehetséges, ha E f > 2 E e,m, azaz E f > 1022 kev 20

21 Interactions of photons párkeltés Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 21

22 Interactions of photons energy dependence Source: 22

23 Gamma-sugárzás intenzitásának gyengülése anyagi közegben di = -I(x) n c dx I: részecskeáram [darab/s] σ: kölcsönhatási valószínűség egy partnerre [-] n c : ütközési partnerek száma egységnyi úthosszon [darab/m] μ = σ.n c = kölcsönhatási valószínűség [1/m] I I 0 e x Egyszerű modell: - Párhuzamos sugárnyaláb - Azonos részecskeenergia Integrálás után: általános gyengülési egyenlet 23

24 Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel I I0 exp( x) μ: összetett lineáris gyengülési együttható HVL ln 2 HVL: half value layer felezési rétegvastagság Az energia-átvitel több versengő (egymást kölcsönösen kizáró) forma közül egyszerre mindig csak egy formában történik. (Compton-szórás, teljes abszorpció, párkeltés) μ = μ 1 + μ 2 + μ 3 : egységnyi tömegre vonatkozó gyengülési együttható [m 2 /kg] 24

25 Neutronok Fotonok Átlagos szabad úthossz = 1/µ Átlagos szabad úthossz = mean free path (MFP) = a közvetetten ionizáló részecskék és az anyag közötti kölcsönhatás egyik mérőszáma. Víz Ólom Sugárzás Víz Ólom Gamma-fotonok 60 Co 16 cm 1,6 cm Hasadási neutronok 8,1 cm 14 cm Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 25

26 Gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása rendszám- és energiafüggés 26

27 Gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása a kölcsönhatások rendszám- és energiafüggése 27

28 Fotonsugárzás gyengítési és abszorpciós együtthatója Kétféle felosztás az összetett sugárgyengítési tényezőre: TA CS PP μ = μ e + μ f Az energiaátadási kölcsönhatás típusa szerint Az energiát átvevő részecskék típusa szerint µ e = elektronok mozgási energiájának növekedéséhez vezető folyamat valószínűsége (a szekunder részecskék már nem tesznek meg nagy távolságot); µ f = szekunder fotonok mozgási energiájának növekedéséhez vezető folyamat valószínűsége (a fotonok nagy távolságra is eljuthatnak) KERMA = kinetic energy released in material absorption = a másodlagos részecskék mozgási energiájává alakult sugárzási energia 28

29 Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel Árnyékolás (shielding): a fotonsugárzás intenzitásának csökkentése fal létesítése révén I BI0 exp( x) B: Build-up tényező a szórt (szekunder) sugárzás azon része, amely a gyengítetlen nyalábbal egy irányban (a mérőeszköz vagy a dózist kapó személy felé) halad B nem konstans, függ a rendszámtól és (µx)-től mindkettővel monoton nő. Számítása pl.: Melyik µ-t használjuk az árnyékolás számításában? Az összetettet, mert a fotonok eltérítése is kedvező esemény. 29

30 Build-up tényezők 30

31 Build-up tényező energiafüggése B Gammasugárzás gyengülése vízben k MFP 31

32 Dózis = az ionizáló sugárzásból elnyelt energia D de dm E m J kg,gray, Gy Elnyelt dózis = Absorbed dose Fizikai dózis: az anyag tömegegységében elnyelt összes (ionizációra és gerjesztésre fordított) sugárzási energia, csak fizikai kölcsönhatásokat foglal magába. Bármelyik ionizáló sugárzásra értelmezhető. Csak ionizáló sugárzásra értelmezett, de a teljes átadott energiát jelenti. Nem tartalmazza az anyagból kilépett (szórt, szekunder) sugárzási energiát. Egyesíti a különböző forrásokból származó energia-beviteleket. 32

33 A A Dózis és sugárgyengítés összefüggése Z N V A A M e A 2 m atom atom mól 3 m mól m m 2 3 σ e = elektron hatásos ütközési keresztmetszet (valószínűség-jellegű mennyiség) σ A = atomi hatásos ütközési keresztmetszet ütközés: abszorpció vagy rugalmatlan szórás ρ A = atomsűrűség [darab/m 3 ] = lineáris energiaátadási tényező = térfogategységre jutó hatásos ütközési/gyengítési keresztmetszet / = tömegabszorpciós tényező = tömegegységre jutó hatáskeresztmetszet LET = de/dx = lineáris energiaátadási tényező / [m 2 /kg] 33

34 Külső foton-dózisteljesítmény dd dt E Af RE E 2 4r R Φ E : energiaáram-sűrűség (fluxus = fluencia idő szerinti deriváltja) [J/(m 2 s)] A = dn/dt: a sugárforrás aktivitása [bomlás/s = Bq] f R : részecske-(foton)gyakoriság [foton/bomlás] E R : fotonenergia [J/foton] Érvényesség: pontszerű γ- dd dt k A 2 r sugárforrásra, gyengítetlen (primer) fotonsugárzásra. Izodózis-felület = gömb Négyzetes gyengülési törvény a dózisszámítás alapja k γ : dózistényező, szokásos dimenziója: [(μgy/h)/(gbq/m 2 )] 34

35 Egynél több fotont kibocsátó γ- sugárforrás dózistényezője j = összegzés az egyes energiákra k = közeg k j f j E j 4 k, j Dózisteljesítmény számítása nem pontszerű (kiterjedt) sugárforrásra: - a felület explicit függvényével; - pontszerű elemekre bontással; - az önabszorpció és a build-up tényező figyelembe vételével; MICROSHIELD program a laboratóriumi gyakorlaton A személyi dózis számításához nem a teljes µ -t, hanem csak az elektronokkal történő ütközések hányadát kell felhasználni! P A j f j E j Forráserősség (Source Power) [kev/s] = energiaáram a tér minden irányába 35

36 Point kernel: Source behind a shield HVL: half value layer (felezési rétegvastagság) = ln(2)/µ IAEA ERP Course Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 36

37 Elementary source-target geometries Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 37

38 Adjustment of point kernel Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 38

39 Dose vs. distance from a source Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 39

40 Mérhető és valódi dózis KERMA: kinetic energy released in material absorption/attenuation 40

41 E f KERMA E E el. m el. mm E * f E f az m tömegbe belépő foton energiája; E f * a kilépő szórt fotonok maradék energiája; Szummák: az m tömegben maradt elektronok által felvett összes mozgási energia, ill. a tömeg határain kívülre jutott elektronok összes mozgási energiája. A két szumma jelenti az úgynevezett részecske kermát, a szórt fotonok kinetikus energiája pedig a sugárzási kermát. 41

42 Elnyelt dózis és KERMA Szekunder részecske egyensúly (SzRE): E. m (mm) E el el. (mm) m Ekkor az elnyelt dózis kb. azonos lesz az adott tömegrészben felszabaduló teljes részecske KERMÁ-val. Az emberi szervezetbe irányuló foton- és elektronsugárzásra az SzRE 70 μm mélységben beáll. KERMA = a mérőberendezés dózisa (a detektor térfogata homogén: bárhol éri ionizáló sugárzás, ugyanolyan válaszjel keletkezik benne) 42

43 Elnyelt dózis és KERMA A KERMA mérésére szolgáló berendezéseknél megadják, hogy milyen névleges mélységű inaktív réteg borítja a detektort. H P (10)=személyi dózisegyenérték 10 mm mélyen a testszövetben H*(0.07)=környezeti dózisegyenérték 70 μm mélyen a testszövet-ekvivalens ICRUgömbfantomban D 43

44 Külső sugárterhelés mérése Dózismérés: utólagos kiértékelés személyi dozimetria filmdózismérő - kémiai változás TLD: szilárdtest-dózismérő (termolumineszcencia) elektronikus dózismérők: elektroszkóp, impulzusüzemű gáztöltésű detektorok Dózisteljesítmény-mérés: azonnali kiértékelés területi dozimetria impulzusüzemű gáztöltésű detektorok szerves szcintillációs detektor 44

45 Külső sugárterhelés pontos mérésének feltétele szövetekvivalencia A detektort és a mérendő személyt azonos távolságba helyezve a sugárforrástól mindkettőt azonos energiafluxus éri ekkor a két céltárgy dózisa csak a két abszorpciós együttható miatt különbözhet. D D x m E,x E,m x m f m Az abszorpciós együttható energiafüggése legyen azonos a detektorra és a testszövetre = szövetekvivalens detektor; energiafüggetlenség = azonos energiafüggés a két közegre 45

46 Külső dózis mérési pontossága Dmért/Dszám A szövetekvivalencia feltétel teljesülése ± 20 %-on belül elvárható Dmért/Dszám E γ [kev] 46

47 Külső dózis mérése Azonnali vagy összegzett válaszjel-kiértékelés = Dózisteljesítmény- vagy dózismérés. I D D D η D : dózisteljesítmény-mérési hatásfok (arányossági tényező) cps nsv / h D 1 D E I(E) 1 D E I 0 (E) exp B (E) x B D: detektor B: gyengítő közeg (pl. detektor ablaka, fala) 47

48 Külső dózis mérése Ha a detektorhatásfok energiafüggetlensége nem teljesíthető, spektrális felbontás alkalmazása is szóba jöhet: D g I D,g D, g g: energiacsoportok jele, amelyekre nézve η D konstansnak tekinthető. 48

49 Dózisteljesítmény mérése az energiafüggés figyelembe vételével Dózisteljesítmény-mérés energiaspektrumok alkalmazásával: az egyes energiatartományokhoz azonos intenzitás/dózisteljesítményátszámítási tényezőt (hatásfokot) rendelhetünk. 49

50 Az ionizáló sugárzások biológiai hatásai A biológiai hatások osztályozása: Szomatikus: egy biológiai egyeden jelentkezik Genetikai: egy populáción jelentkezik Determinisztikus: A károsodás súlyossága függ a dózistól, a hatás egy bizonyos küszöbdózis fölött következik be. Sztochasztikus: A károsodás valószínűsége függ a dózistól, küszöbdózis nincs, a károsodás mértéke nem függ a dózistól. 50

51 Az ionizáló sugárzás determinisztikus hatása Determinisztikus hatás: - küszöbdózishoz kötött (legérzékenyebb szövetek: 0,3 0,4 Gy, embrió: 0,1 Gy) - szövetpusztulást (nekrózis) okoz a sugárzás, ennek mértéke a küszöbérték felett arányos a dózissal - akut/azonnali hatás - életveszélyes károsodások: központi idegrendszer, emésztőrendszer, vérképző rendszer Hatás 100% 0% Küs zöb Dózis 51

52 Determinisztikus dózisfogalom ND = D. RBE(R) ND: necrotic dose = szövetpusztulást okozó elnyelt dózis RBE: relative biological effectiveness = relatív biológiai károkozó képesség besugárzási helyzetenként eltérő!! R: sugárzásfajta 52

53 Determinisztikus dózis: a sugárzás minőségének hatása Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 53

54 Determinisztikus dózis: sugárzás minőségének hatása áthatoló sugárzás esetén Szerv: Hatás Bármely szerv: pusztulás Bőrszövet: pusztulás Besugárzás RBE Fotonok 1 Neutronok 3 Külső bétasugárzás 1 Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 54

55 Determinisztikus dózis: sugárzás minőségének hatása kevéssé áthatoló sugárzás esetén Hatás: Szerv Sugárzás RBE R,T Gyulladás: Béta 1 Légzési rendszer részei Alfa 7 Gyomor-bél szindróma: Belek Hipotireózis: Pajzsmirigy Csontvelő szindróma: Vörös csontvelő Béta 1 Alfa 0 Kisenergiájú ( * ) 1/5 Egyéb 1 Béta 1 Alfa 2 ( * ) 129 I, 125 I, 124 I, 123 I Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 55

56 Vérképzés = vörös csontvelő károsodása A determinisztikus károsodás = nekrózis függése a dózisteljesítménytől (állatkísérletek!) Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 56

57 Az emberi sejt modellje 57

58 Az emberi sejtmag modellje Membrán - burkolat - félig áteresztő - elválasztja a sejtmagfolyadékot a citoplazmától Nucleolus RNS-t tartalmaz - fehérje és DNS szintézis DNS a genetikus kódot tartalmazó makromolekula 58

59 Az ionizáló sugárzás determinisztikus és sztochasztikus hatása Sejti életciklus: mitózis interfázis mitózis vagy apoptózis Sejti rendszerek sérülése: - Azonnali pusztulás: nekrózis - Életképtelenség: apoptózis - DNS-lánchibák: fennmaradás mutáció DNS lánchibák javítása repair enzimekkel 59

60 Az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatása A fő célpont a sejtmag DNS-állománya DNS: cukor- és foszfátcsoportokból felépülő kettős spirál, amelyekhez szerves bázisok kapcsolódnak. Láncelem: nukleotid. A láncot a bázisok között hidrogénhidak tartják össze. DNS-ből felépülő örökítő elemek: kromoszómák. A DNS a sejtet felépítő fehérjék összetételét kódolja. Gén: a DNS egy fehérjét kódoló, vagy egy sejti tulajdonságot meghatározó darabja. A gének együtt alkotják az egyed genetikai információit tartalmazó genomot. 60

61 A sztochasztikus hatáshoz vezető biológiai dózis fogalma Egyenértékdózis a sejti szintű maradandó, mutációt okozni képes kártétel mértéke arányos a sugárzás LET értékével H = D.w R [Sievert, Sv] w R sugárzási tényező (Q minőségi tényezőből képezve) - a LET függvénye, független az expozíciós körülményektől! w R,α = 20 w R,γ = 1 w R,β = 1 w R,n = a neutron-energia függvényében Antropomorf dózisfogalom és mértékegység: az emberi szövetek, sejtek viselkedése befolyásolja a dózisértéket. 61

62 Sztochasztikus sugárhatás Találat Dysplasia Jóindulatú daganat Rákos daganat Évek a besugárzás után IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 62

63 Az ionizáló sugárzás egészségkárosító hatásai - Sztochasztikus hatás: - nincs küszöbdózis (kis dózisok hatása nem igazolt) - sejtmutációt okoz a sugárzás (javító mechanizmus) - kockázat-dózis-függvény lineáris (?) - a károsodás mértéke nem függ a dózistól Kockázat m=5*10-2 /S v Az egyénre vonatkozó kockázati függvény a szövetek kockázati függvényének összege Dózis A függvényt a Hiroshima és Nagasaki japán nagyvárosok elleni 1945-ös atombomba-támadás túlélőinek epidemiológiai statisztikájából (Atomic Bomb Survivors Cohort = ABSC) vezették le. 63

64 ABSC Life Span Study mortality ( ) Diseases Deaths observed expected excess Attributable fraction Solid cancer % Leukemia % people with evaluated dose with Colon dose < 5 msv (mean = 0.2 msv) with Red marrow dose < 5 msv 64

65 Thyroid cancer stochastic effect of 131 I incorporation Consequences of Chernobyl release An increase in thyroid cancers was easily observed due to low background BUT the dose/risk dependence could NOT be established No increase in others cancers seen in public statistics Latency period 65

66 Thyroid cancer cases versus distance from damaged reactor Excess thyroid cancers by 1998 does not show inverse dependence with distance from NPP Explanation: iodine uptake was due to milk consumption, not inhalation it should have been avoided 66

67 A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedő személy kölcsönös pozíciója szerint külső és belső sugárterhelés jöhet létre. E T T w H T T wt[sv] 1 Effektív dózis (gyakran jelölik H E -vel is) w T szöveti súlyozó tényező Szöveti súlyozó tényezők az ICRP#103 (2007) szerint: ivarszervek w T =0.08 (genetikus hatás) szomatikus hatások legérzékenyebbek w T =0.12 tüdő, gyomor, belek, vörös csontvelő, emlő érzékenyek w T =0.04 máj, vese, pajzsmirigy stb. kissé érzékeny w T =0.01 bőr, csontfelszín Az adatok az általános daganatos statisztikából származnak! A kockázat-dózis függvény meredeksége NEM AZONOS az ABSC-statisztikából levezetettel! 67

68 Az ionizáló sugárzás hatásai IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 68

69 Az ionizáló sugárzás hatásai IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 69

70 A kockázat effektív dózis függvény problémái Elfogadott forma: LNT (linear no threshold) Kérdőjelek: A függvény megállapításához tiszta adatok (pontos mérések, minta és kontroll csoport szükségesek) Hormézis: a kis dózisok immunitást okoznak? Szupralinearitás: a kis dózisoknál nincs nekrózis: javul a mutáns sejtek túlélési hányada? A függvény összes kockázatra vonatkozik, de a tumor szervekben manifesztálódik. Primer tumor vagy metasztázis? Mennyi időn át adhatók össze a dózisok? 70

71 Effektív dózis szöveti súlyozó tényezők A súlytényezők változása az ICRP #60 (1991) és az ICRP #103 (2007) között utóbbiak már a magyar szabályozásban is érvényesek (487/2015. kormányrendelet) 71

72 További dózisfogalmak Lekötött dózis (Committed dose, H C ) = az egyszerre inkorporált radioaktivitás által annak teljes kiürüléséig, illetve az emberi élet végéig okozható egyenérték vagy effektív dózis. τ = 50 (felnőttek) vagy 70 év (gyerekek) H c 0 H(t)dt Kollektív dózis (C) = egy P tagú embercsoportnak ugyanattól a sugárforrástól kapott effektív/lekötött dózisa P C i1 H i 72

73 Dózis és dózisteljesítmény mérése és számítása Külső dózis Dózismérővel, dózisteljesítmény-mérővel mérhető Számítási egyenlet (foton-dózisteljesítményre) k γ dózistényezők: adott sugárforrás-geometriákra és elnyelő anyagokra határozható meg Belső dózis közvetlenül nem mérhető Meghatározás módjai: egésztest-számlálás, vér- és exkrétum-analízis, bejutó anyagok (levegő, víz, ételek) analízise DCF [Sv/Bq] dóziskonverziós tényezők egységnyi radioaktivitás adott beviteli módon történő inkorporációjához tartozó lekötött effektív dózis A dózist főként a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodási ideje határozza meg Akut (pillanatszerű) vagy krónikus (folyamatos) bevitel eltérő effektív dózist eredményeznek 73

74 Külső sugárterhelés számítása Külső sugárterhelés: a sugárforrás aktivitásának és a detektor-forrás távolságnak ismeretében számítható. Kiterjedt forrásnál a pontszerű alapmodell módosul. A forrás és a személy közötti közegek sugárzásgyengítő hatását az abszorpció és a másodlagos sugárzás intenzitáshányadának növekedését kifejező build-up tényező (B) határozza meg. D D 0 k A 2 r D0 c Am f ( r,,, V ) c A : aktivitás-koncentráció; m: tömeg; f: távolságtól, abszorpciótól, sűrűségtől és térfogattól függő tényező) D 0 B exp x j j= gyengítő közegek j j j x j : a j-edik árnyékoló közeg vastagsága 74

75 Belső sugárterhelés számítása Belső sugárterhelés: a forrásés célpontszövetekre meghatározott számítási egyenlet elemeit modellezzük, és a modellből meghatározzuk a dóziskonverziós tényezőt: DCF [Sv/Bq] egységnyi aktivitás inkorporációjából származó effektív dózis (H E /A) H DCF A E be DCF radionuklidonként különböző, valamint: - Beviteli útvonal szerint (belégzés, lenyelés, bőrön át) - Életkor szerint (5 korcsoport) - A radionuklidot hordozó anyag kémiai jellege szerint is. 75

76 Általános biokinetikai modell Methods of Internal Dosimetry for Emergency Response 76

77 Belső sugárterhelés A dózist az egyes szövetek eltérő egyenértékdózisainak összegzéséből kapjuk, a dózist a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekből kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) A [Bq] T [nap] Retenció: a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodása egy szövetben 77

78 Belső sugárterhelés dózisa Az egyes szövetek egyenérték dózisát a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekből kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: a számításokban célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) H T S u S R w R E R f R Q R S T 1 m T A H T szöveti egyenértékdózist minden radioizotópra külön határozzuk meg. u S : az egyes forrás-szövetekben bekövetkező bomlások száma [darab] w R: sugárzási tényező [Sv/Gy] E R : sugárzási energia [kev/részecske] f R : részecske-gyakoriság [részecske/bomlás] m T : a célpont-szövet tömege [kg] Q az R sugárzásfajtának az S szövetből kiinduló és a T szövetben energiát leadó hányada (elnyelési hányad) 78

79 Belső sugárterhelés dózisa u s : A radioaktív anyagot tartalmazó forrás -szövetekben végbemenő bomlások száma az inkorporáció óta eltelt t idő alatt (a retenció során) Q u s R,ST t 0 A s (t) dt p( ) p(abs.) Q: elnyelési hányad; az S és T szövetek közti térszögtől és az R sugárzásnak a szövetek anyagában történő abszorpciójától függ. p( ) 4 p (abs.) f (xs,xt,r/ p(abs.),x / 1 exp( T x T ) ) E E 79