Sugárvédelem alapjai Nukleáris alapok Papp Ildikó
2 Emlékeztető A sugárzások és az anyagi közeg kölcsönhatása Dózisfogalmak
3 Pici történelem 1896: Henri Becquerel uránsók Azt találta, hogy sugárzás intenzitása arányos az urán koncentrációjával, így arra következtetett, hogy ez a sugárzás az uránatom tulajdonsága. Pierre és Marie Curie: tórium, a polónium és a rádium. Curie házaspár & Ernest Rutherford kísérletei a radioaktív sugárzásnak két összetevőjét mutatta ki: a nagyon rövid hatótávolságú alfasugárzás, és a béta-sugárzás 1900: Paul Villard - gamma-sugárzás
4 Természetes eredetű radioaktivitás Kozmikus sugárzás (szoláris, galaktikus, befogott részecskék) Kozmogén nuklidok: állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására ( 3 H, 14 C) Ősi nuklidok: Keletkezés a szoláris folyamatokban és az ősrobbanáskor (nagyon hosszú felezési idő) Például: Fontosabb ősi nuklidok: 40 K, 87 Rb, 238 U Természetes sugárterhelés : átlagosan 2-3 msv/év
5 Néhány számadat A kozmikus sugárzás járulékai: tengerszinten mindössze 0,27 msv/év, 4000 méteres magasságban azonban már 2 msv/év, 8 km magasságban akár 34 μsv/h. A kozmogén radioaktív izotópok belélegzésétől és nagyobbrészt a fogyasztásától eredő átlag belső sugárterhelése 10 μsv/év. Sugárterhelés repülőgépen 7-12 km magasban pl. Európa- Észak-Amerika repülőút alatt 30-45 μsv. Űrhajósok sugárterhelése 300-500 km magasságban az űrállomáson 0,3 mgy/nap. A természetes sugárterhelés több, mint fele (1,26 msv/év) a 222 Rn-tól származik.
6 Mesterséges eredetű radioaktivitás Nukleáris reaktorok hulladékai (hasadási ( 131 I, 137 Cs) aktivációs ( 239 Pu) és korróziós ( 60 Co) termékek) Nukleáris robbantások, fegyverkísérletek hulladékai Ipari sugárforrások Orvosi (diagnosztikai és terápiás) sugárforrások TENORM (Technologically-Enhanced, Naturally-Occurring Radioactive Material): mesterséges okból megnövekedett természetes sugárterhelés (pl. szén-, olaj- és gáztüzelésű erőművek hulladéka (salak, hamu, pernye); nukleáris üzemanyag előállítása során keletkező hulladék)
7 Forrás: Bojtos István Péter, OF Szeminárium ea. 2011/2012/I.
8 arcápoló krém, púder, szappan, lemosó tej, ajak rúzs, fogkrém
9 Bomlási módok α: A Z X A 4 Z 2 Y + 4 2 He β: β - : elektron és antineutrínó kibocsátása: n p + + e - + ν a : a rendszám eggyel nő β + : pozitron és neutrínó kibocsátása: p + n + e + + ν: a rendszám eggyel csökken Elektronbefogás (EC electron capture) neutrínó kibocsátása: p + + e - n + ν: a rendszám eggyel csökken. γ: a nukleonok átrendeződése nyugalmi tömeggel és töltéssel nem rendelkező foton kibocsátásával jár.
10 A radioaktív bomlás alapegyenletei dn = λndt A= dn dt = λn N = N 0 e λt A = A 0 e λt N: bomlásra képes, azonos fajtájú atommagok száma [darab] λ: bomlási állandó [1/s] t: idő [s] A: aktivitás [1/s ; Bq] T 1/2 : felezési idő [s] λ = ln(2) T 1/2
11 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 részecskék jelennek meg. Az elektronokkal való ütközés nem minden esetben vezet azok ionizációjára. A sugárzás által több lépésben átadott energia egy része (általában 60-70 %-a) nem ionizációt, csak gerjesztést eredményez, azaz összességében a közeg termikus energiáját növeli meg.
12 γ-sugárzás kölcsönhatásai - Fotoeffektus
13 γ-sugárzás kölcsönhatásai - Fotoeffektus hυ= 1 2 mv2 + E K σ foto ~Z 4 A fotoeffektus során a gamma-foton átadja a teljes energiáját egy atom valamelyik kötött elektronjának, amely szabaddá válik, miközben az elektronburokban egy elektronhiányos állapot jön létre.
14 γ-sugárzás kölcsönhatásai Compton szórás
15 γ-sugárzás kölcsönhatásai Compton szórás Δλ = h m 0 c (1 cosθ) σ Compton ~Z A Compton-szórás során a foton az energiájának E γ csak egy részét adja át a szabad vagy az E γ energiához képest kis kötési energiával rendelkező atomi elektronnak. A folyamat során a foton energiája és iránya megváltozik.
16 γ-sugárzás kölcsönhatásai - Párkeltés
17 γ-sugárzás kölcsönhatásai - Párkeltés A párkeltés folyamata során egy gamma-foton a detektor anyaga egy atommagjának erőterében elektron-pozitron párrá alakulhat abban az esetben, ha a foton energiája nagyobb, mint a 2mc 2 = 1.022 MeV.
18
19 γ-sugárzás kölcsönhatásai Exponenciális sugárgyengülési törvény di = I(x)σNdx I: részecskeáram σ: hatáskeresztmetszet N: partnerek száma egységnyi úthosszon μ = σn = kölcsönhatási valószínűség [1/m] Feltevés: párhuzamos nyaláb Megoldás: I x = I 0 e μx
20 γ-sugárzás kölcsönhatásai Exponenciális sugárgyengülési törvény μ = de dx E inc. μ/ρ = tömegabszorpciós tényező = tömegegységre jutó hatáskeresztmetszet m 2 /kg σ A = atomi hkrm. σ e = elektronra vonatkozó hkrm. σ A = Z σ e m 2 atom μ = σ A ρ A m 2 ρ A = N A V M m 3 atom mol m 3 mol
21 Alfa- és bétasugárzás elnyelése az anyagban
22 LET Linear Energy Transfer lineáris energiaátadási tényező LET = de dx α- β- sugárzásra: LET értéke vízben: α-ra: 100 kev/μm β-ra: 5-10 kev/μm
23 Ködkamra
24
25 Dózisfogalmak, Külső- belső sugárterhelés meghatározása
26 Dózismennyiségek D = de dm ΔE m J, Gray, Gy kg Fizikai dózis: az anyag tömegegységében elnyelt összes sugárzási energia, csak fizikai kölcsönhatásokat foglal magába. Bármelyik ionizáló sugárzásra értelmezhető. Csak ionizáló sugárzásra értelmezett, de nem csak ionizációs energiát jelent. Nem tartalmazza az anyagból kilépett (szórt, szekunder) sugárzási energiát. Egyesíti a különböző forrásokból származó energiabeviteleket.
27 Egyenérték dózis H = D w R Sv, Sievert w R : sugárzási tényező A sejti méretű élő térfogatba bevitt energia (mikrodózis) dönti el az elnyelt dózis veszélyességét (kártételét). Antropomorf dózisfogalom és mértékegység: az emberi szövetek, sejtek viselkedése befolyásolja a dózisértéket. w R α 20 β, γ 1 n 5 20
28 Effektív dózis E = H w T Sv, Sievert T w T = 1 w T : szöveti súlyozó tényező A gyorsan osztódó, rövid ciklusidejű sejtek a legérzékenyebbek. ivarszervek 0.2 legérzékenyebbek Közepesen érzékenyek tüdő, gyomor, belek, vörös csontvelő w T 0.12 máj, vese, pajzsmirigy stb. 0.05 kissé érzékeny bőr, csontfelszín 0.01
29
30 Egyéb dózisfogalmak Lekötött dózis: inkorporálódott, és a szervezetben 1 évnél tovább jelenlévő radioaktív anyag effektív dózisa H C = 0 t dh E dt dt Kollektív dózis: Egy embercsoport tagjainak egy adott sugárforrástól származó effektív dózisának összege. Csak az emisszió mértékéül használható. C = i H E,i n i Sv
31 Belső sugárterhelés dózisa H T = 1 m T S u s R w R E R f R Q R (S T) A H T szöveti egyenértékdózist egy adott radioizotópra 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 (source) szövetből kiinduló és a T (target) szövetben energiát leadó hányada (elnyelési hányad) S=T is lehetséges
32 Belső sugárterhelés dózisa DCF = E A Intake DCF = dóziskonverziós tényező [Sv/Bq]: egységnyi inkorporált aktivitás (A intake ) adott útvonalon (belégzés vagy lenyelés) és adott kémiai formában történő bevitele által kiváltott egyenérték-dózis (szervekre) és effektív dózis (az egész emberre). Eltérő lehet: Beviteli útvonal szerint (belégzés vagy lenyelés), Kémiai forma szerint (a testnedvekben oldható vagy nem oldható) Életkor szerint.
33 Külső dózisterhelés számítása dd dt = φ E μ ρ ahol φ E = dn f dt R E R 4 r 2 π Érvényesség: pontszerű γ-sugárforrásra, gyengítetlen (primer) fotonsugárzásra. φ E : energiaáram-sűrűség [J/(m 2 s)] A=dN/dt : a sugárforrás aktivitása [Bq] f R : részecske-(foton)gyakoriság [foton/bomlás] E R : fotonenergia [J/foton]
34 Külső dózisterhelés számítása Négyzetes gyengülési törvény a dózisszámítás alapja: μ a j ρ dd dt = k γ A r 2 ahol k γ = k,j f j E j 4 π j: összegzés az egyes energiákra, k pedig a közegekre kγ: dózistényező, szokásos dimenziója: [(μgy/h)/(gbq/m 2 )]
35 Dózisteljesítmény számítása nem pontszerű (kiterjedt) sugárforrásra A felület explicit függvényével; Pontszerű elemekre bontással; Az önabszorpció figyelembe vételével dd dt = c A f(r, μ, ρ, V) Ahnesjö, A. Med. Phys. 16 577-92
36 Exponenciális sugárgyengülési törvény Feltevés: párhuzamos nyaláb Megoldás: D x = D 0 e μx Az ábra forrása: http://www.radprocalculator.com/files/shieldingandbuildup.pdf, A hozzáférés ideje: 2014.03.24.
37 Shielding D(x) = D 0 B e μx B build-up tényező: a szórt sugárzás részaránya a dózist okozó intenzitásban B=B(μx) Az ábra forrása: http://www.radprocalculator.com/files/shieldingandbuildup.pdf, A hozzáférés ideje: 2014.03.24.
38 Számolós példák Témakör: Bomlási sorok 1) Egy régészeti telephelyen találtak egy múmiát. Megkapargatták és 220 mg mennyiségű CO 2 mintát készítettek belőle. A minta aktivitását β detektorral mérték. A minta nélküli beütésszám 1960-nak adódott 20 óra alatt, míg a minta mérésekor 2500 beütést tapasztaltak 20 óra alatt. Határozza meg a múmia korát a radiokarbonos kormeghatározási módszer segítségével, ha tudjuk, hogy a természetben a 14 C és a 12 C izotópok atomszám aránya 1,2 10-12! (T 1/2 14C =5568 év) 2) Egy orvosi vizsgálathoz 53 131 I használnak. Mennyi volt a jód kezdeti aktivitása, ha 30 perc elteltével a testben lévő aktivitás 217212 Bq? A jód fizikai felezési ideje 8,02 nap, a biológiai felezési idő pedig 154 nap.
39 Számolós példák Témakör: Dózisfogalmak 1. Hány percig végezhetné egy technikus egy 10 MBq-es 60 Co-sugárforrás szerelését 10 cm távolságból ahhoz, hogy dózisa kisebb legyen, mint 10 μsv (az adott munkára megadott dózismegszorítás)? A dózistényező k =305 [( Sv/h)/(GBq/m 2 )]). 2. A természetes káliumnak 0,01 %-a a 40 K izotóp (azaz minden tízezredik kálium atom 40-es tömegszámú). A 40 K izotóp radioaktív, a felezési ideje 1,2 milliárd év, a kálium többi izotópja ( 39 K és 41 K) nem radioaktív. Számítsuk ki egy átlagos emberben lévő (természetes izotóp-összetételű) 4 molnyi mennyisegű K radioaktivitását!
40 Számolós példák Témakör: Dózisfogalmak 3. Mekkora dózisa lesz 1 év alatt saját magától egy embernek? A K-tartalom 0.2 %, a 40 K atomhányada 0.0117 %. Az átlagos (férfi) testsúly 70 kg. A 40 K-felezési ideje 1,277 10 9 év. A γ-sugárzás elnyelési hányada a testben 37 %, a β- és röntgensugárzás elnyelési hányada 100 %. A γ-energia az elektronbefogás kísérőjeként jelenik meg, értéke 1461 kev. A γ- gyakoriság 11 %. Az átlagos β-energia 510 kev, β- gyakoriság 89 %, röntgen-energia 3 kev. Feltételezzük, hogy a kálium mivel igen jól oldódik egyenletesen oszlik el a testnedvekben, és így a testben. 1 ev = 1,6.10-19 J
41 Köszönöm a figyelmet!