Sugárvédelem II. Fejezetek: 1. Bevezetés: fizikai és biológiai dózisfogalmak; az ionizáló sugárzás károsító hatásai; sugárvédelmi szabályozás. A külsı dózis- és dózisteljesítmény mérésének elve és kivitelezése 3. A belsı sugárterhelés számítása. A belsı sugárterhelés meghatározásához szükséges mérési eljárások 4. Környezeti és biológiai minták instrumentális analízise. Radonanalízis. Igen kis aktivitások mérésének sajátosságai. 1
Bomlási módok E sug = ( ε + ε ) p: a bomlásban kibocsátott részecskék p i,m i, kin m: nyugalmi tömeg E kin : kinetikus (mozgási) energia Bomlási módok: α, β ( közvetlen ),γ ( kísérı ), f (maghasadás, összetett ) Az alfa-bomlás során a kezdeti atommag egy hélium atom pozitív elektromos töltéső atommagját bocsátja ki általában 5-10 MeV mozgási energiával. Az alfa-bomlás során az atommag tömegszáma 4-gyel, protonszáma -vel csökken, így az atommagon belül a protonok taszításából származó, a nukleonok kötését gyengítı elektrosztatikus energia is jelentısen csökken. Hajtóereje az erıs kölcsönhatás. Diszkrét energiaváltozás: E kin jellemzı az adott radioizotópra, de megoszlik a részecske mozgási energiájára és a visszalökött mag energiájára. Az alfa-bomlás hajtóereje a nukleonok közti erıs kölcsönhatás.
Bomlási módok Béta-bomlás: A kinetikus energia megoszlik az elektron/pozitron és a neutrínó/antineutrínó között, ezért az elektron(pozitron) kinetikus energiája nem diszkrét. A bomlás hajtóereje a gyenge kölcsönhatás. 1) β - : elektron és antineutrínó kibocsátása n p + + e - + ν a : a rendszám eggyel nı ) β + : pozitron és neutrínó kibocsátása p + n + e + + ν: a rendszám eggyel csökken antianyag annihiláció: megsemmisülés e + + e = f 3) elektronbefogás (EC electron capture) neutrínó kibocsátása p + + e - n + ν: a rendszám eggyel csökken A hiányzó pályaelektron pótlódik egy külsı pályáról kísérı karakterisztikus röntgensugárzás keletkezik 3
Bomlási módok Gamma-átmenet: a belsı átrendezıdés nyugalmi tömeggel és töltéssel nem rendelkezı 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 energiája diszkrét, azonos a megváltozott állapotú belsı részecske által betöltött elızı és következı energiaszint különbségével, ezért jellemzı az adott radioizotópra. A mag belsı energia-eloszlásának változása egyes esetekben (fıként nagy tömegszámú magoknál és kisebb energiaváltozásoknál, Εγ<-300 kev) nem foton kibocsátásával jár, hanem az energia egy, általában belsı, szimmetrikus atompályán rezidens (azaz a magon belül is >0 valószínőséggel tartózkodó) elektron mozgási energiájává alakul. Ez a belsı konverzió (internal conversion, IC), amit szintén karakterisztikus röntgenfoton kell, hogy kövessen. E γ,kin + E e E e,köt A belsı konverziós elektron energiája diszkrét! 4
A sugárzások és az anyagi közeg kölcsönhatása A közeg kölcsönhatásra képes alkotórészei: elektronok, az atom elektromágneses erıtere, atommag. A közeg és a sugárzás közötti kölcsönhatás szerint: - Közvetlenül ionizáló sugárzások: α, β, γ, röntgen az elektronoknak képesek azok ionizációjához elegendı 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 jelentıs része (>50 %-a) nem ionizációt, csak gerjesztést eredményez, azaz összességében a közeg termikus energiáját növeli meg. A gyorsan mozgó szabad töltéshordozók (α +, β - -részecskék vagy ionizált szekunder elektronok) az atomok elektromágneses terében fékezıdve járulékos fotonsugárzást = folytonos röntgensugárzást kelthetnek. 5
Alfa- és bétasugárzás elnyelése az anyagban R: hatótávolság (range) 6
Lineáris energiaátadási tényezı (LET) alfa- és bétasugárzásra LET = de/dx (stopping power) 7
Alfa- és bétasugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel α-sugárzás LET-értéke vízben: kb. 100 kev/µm Energiaátvitel: - elektronnal: ionizáció/gerjesztés; - atommaggal: egyes célmagokkal magreakció lehetséges (neutronforrások: Pu(Be), Am(Be)) Hatótávolság (range) vízben 45 µm (5.3 MeV-re) β-sugárzás LET-értéke vízben: 5-10 kev/µm Energiaátvitel: - elektronnal ionizáció/gerjesztés; - atom elektromágneses erıterével: fékezési sugárzás (folytonos röntgensugárzás, energiája a közeg rendszámától is függ), Cserenkovsugárzás: az adott közegben érvényes fénysebességnél nagyobb sebességő elektron látható fényt is kibocsát. Hatótávolság (range) vízben cm nagyságrendő, lényegesen kisebb, mint az energia-átvitelben részt vevı elektronok összes úthossza! 8
Interaction of alpha-particles Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 9
Interaction of electrons Fékezési röntgensugárzás Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 10
Interaction of positrons annihiláció Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 11
Közelítı adatok Alfarészecske hatótávolsága levegıben: R (cm) = 0.318 E 3/ E: energia MeV-ben Alfarészecske hatótávolsága bármely anyagban: R m,α (g cm - ) = 10-4 (A E 3 ) 1/ E: energia MeV-ben, A: az elnyelı anyag atomvagy molekulatömege. Bétarészecske hatótávolsága bármely anyagban: R m,β (g cm - ) E max / E max : a maximális bétaenergia MeV-ben 1
Közvetett ionizáció A neutronok az általuk mozgásba hozott töltött részecskék révén, illetve az általuk aktivált atommagok sugárzása révén okoznak másodlagos ionizációt. A fotonok elektronnal ütközve ionizálnak, de az adott anyagban szabaddá váló töltések döntı részét a meglökött elektron energiája hozza létre. 13
Interaction of photons Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 14
Interaction of neutrons Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 15
Átlagos szabad úthossz = 1/µ Mean free path (MFP) a közvetetten ionizáló részecskék és az anyag közötti kölcsönhatás mértéke. (Lásd késıbb az abszorpció számítási egyenletét) Sugárzás Víz Ólom Gamma-fotonok 60 Co Hasadási neutronok 16 cm 1.6 cm 8.1 cm 14 cm Fotonok Neutronok Víz Ólom 16 Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 16
Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel Foton energiaátadása részben hullám- részben anyagi természető rendszernek ütközés Elektronnal (ionizáció többféle kölcsönhatásban, lásd késıbb) Atommaggal (abszorpció küszöbreakció, csak >5 MeV energiánál) Atom elektromágneses erıterével (küszöbreakció, csak >1. MeV energiánál)) Általános törvényszerőség: sztochasztikus (véletlenszerő) kölcsönhatás: nem minden ütközés hatásos Az energiát átvett elektronok kinetikus energiája: - További ionizációt okozhat; - Ionizáció nélküli gerjesztést okozhat; - Fékezıdéssel szekunder fotonsugárzás (folytonos röntgensugárzás) keletkezik; - A kiütött elektron helyére belépı külsı pályaelektron energiatöbblete karakterisztikus röntgensugárzást ad. 17
Gamma-sugárzás kölcsönhatásai teljes abszorpció A foton teljes kinetikus energiáját átadja a vele ütközı elektronnak. Mivel E f >> E ion, ezért az elektron nagy sebességgel távozik az atompályájáról. A foton megszőnik. E f = E e,kin + E e,ion (régebbi nevén: fotoeffektus) 18
Gamma-sugárzás kölcsönhatásai Compton-szórás A foton kinetikus energiát ad át a vele ütközı elektronnak. Mivel E 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
Gamma-sugárzás kölcsönhatásai - párkeltés A foton az atom elektromágneses erıterével lép kölcsönhatásba: átadja teljes energiáját és megszőnik. Az átvett energiából 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 > E e,m, azaz E f > 10 kev 0
Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel di = -I(x) σ n c dx I: részecskeáram [darab/s] σ: kölcsönhatási valószínőség egy partnerre [-] n c : ütközési partnerek száma egységnyi úthosszon [darab/m] µ = σ n c = kölcsönhatási valószínőség [1/m] I = I 0 exp( µ x) Egyszerő modell: - Párhuzamos sugárnyaláb - Azonos részecskeenergia Integrálás után: általános gyengülési egyenlet 1
Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel I = I 0 exp( µ x ) µ: összetett lineáris gyengülési együttható HVL= ln µ HVL: half value layer felezési rétegvastagság Az energia-átvitel több versengı (egymást kölcsönösen kizáró) forma közül egyszerre mindig csak egy formában történhet. (Compton-szórás, teljes abszorpció, párkeltés) µ = µ 1 + µ + µ 3 µ/ρ : egységnyi tömegre vonatkozó gyengülési együttható
Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel Árnyékolás (shielding): a fotonsugárzás intenzitásának csökkentése I = B I exp( µ x) 0 B: Build-up tényezı a szórt (szekunder) sugárzás azon része, amely a gyengítetlen nyalábbal egy irányban halad B nem konstans, függ a rendszámtól és (µx)-tıl mindkettıvel monoton nı. 3
Gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása rendszám- és energiafüggés 4
Gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása a kölcsönhatások rendszám- és energiafüggése 5
Dózismennyiségek de E J D =, Gray, Gy dm m kg Elnyelt dózis Fizikai dózis: az anyag tömegegységében elnyelt összes sugárzási energia, csak fizikai kölcsönhatásokat foglal magába. Bármelyik ionizáló sugárzásra értelmezhetı. Csak ionizáló sugárzásra értelmezett, de nem csak ionizációs energiát jelent. Nem tartalmazza az anyagból kilépett (szórt, szekunder) sugárzási energiát. Egyesíti a különbözı forrásokból származó energia-beviteleket. 6
Dózismennyiségek fotonsugárzás dózisa σ A m = Z * σe atom N ρa = V A M atom mól 3 m mól m µ = σ A * ρa m 3 µ= lineáris energiaátadási tényezı = térfogategységre jutó hatásos ütközési/gyengítési keresztmetszet µ/ρ = tömegabszorpciós tényezı = tömegegységre jutó hatáskeresztmetszet LET = de/dx = lineáris energiaátadási tényezı σ e = elektron hatásos ütközési keresztmetszet σ A = atomi hatásos ütközési keresztmetszet ütközés: abszorpció vagy rugalmatlan szórás µ/ρ [m /kg] µ = de dx E inc. 7
Külsı dózisteljesítmény dd dt = Φ E µ ρ A f R E ΦE = 4 r π R Φ E : energiaáram-sőrőség (fluxus = fluencia idı szerinti deriváltja) [J/(m s)] A = dn/dt: a sugárforrás aktivitása [bomlás/s = Bq] f R : részecske-(foton)gyakoriság [foton/bomlás] E R : fotonenergia [J/foton] dd dt = k γ A r Érvényesség: pontszerő γ- sugárforrásra, gyengítetlen (primer) fotonsugárzásra. Négyzetes gyengülési törvény a dózisszámítás alapja kγ: dózistényezı, szokásos dimenziója: [(µgy/h)/(gbq/m )] 8
Több fotonenergiát is kibocsátóγsugárforrás dózistényezıje j = összegzés az egyes energiákra k = közeg k γ = j f j E j 4* π µ ρ k, j f Dózisteljesítmény számítása nem pontszerő (kiterjedt) sugárforrásra: - a felület explicit függvényével; - pontszerő elemekre bontással; - az önabszorpció és a build-up tényezı figyelembe vételével; MICROSHIELD program a laboratóriumi gyakorlaton P γ = A j j E j Forráserısség (Source Power) [kev/s] 9
Mérhetı és valódi dózis KERMA: kinetic energy released in mass absorption/attenuation http://physics.nist.gov/physrefdata/xraymasscoef/chap3.html 30
KERMA E f E + el. m = Eel. m+ m + E * f E f az m tömegbe belépı foton energiája; E f * a kilépı 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. 31
Elnyelt dózis és KERMA Szekunder részecske egyensúly (SzRE): E. m (m+ m) E el el. (m m) 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 mérıberendezés dózisa (a detektor térfogata homogén: bárhol éri ionizáló sugárzás, ugyanolyan válaszjel keletkezik benne) 3
Elnyelt dózis és KERMA A KERMA mérésére szolgáló berendezéseknél megadják, hogy milyen névleges mélységő 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 ICRUgömbben D 33
Külsı sugárterhelés mérése Dózismérés: utólagos kiértékelés személyi dozimetria filmdózismérı - kémiai változás TLD: szilárdtest-dózismérı (termolumineszcencia) elektronikus dózismérık: elektroszkóp, impulzusüzemő gáztöltéső detektorok Dózisteljesítmény-mérés: azonnali kiértékelés területi dozimetria impulzusüzemő gáztöltéső detektorok szerves szcintillációs detektor 34
Külsı sugárterhelés mérésének feltétele Bragg-Gray elv A detektort és a mérendı személyt azonos távolságba helyezve a sugárforrástól mindkettıt azonos energiafluxus éri ekkor a két céltárgy dózisa csak a két abszorpciós együttható miatt különbözhet. D D x m = Φ Φ E, x E, m * µ ( ) ρ µ ( ) ρ x m = f m Az abszorpciós együttható energiafüggése legyen azonos a detektorra és a testszövetre = szövetekvivalens detektor; energiafüggetlenség = azonos energiafüggés a két közegre 35
Külsı dózis mérési pontossága 1.4 1. Dmért/Dszám A Bragg-Gray feltétel teljesülése ± 0 %-on belül elvárható. 1 0.8 0.6 Dmért/Dszám 0.4 0. 0 0 500 1000 1500 000 500 3000 E γ [kev] 36
Point kernel: Source behind a shield HVL: half value layer lásd a. diát IAEA ERP Course Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 37
Elementary source-target geometries Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 38
Adjustment of point kernel Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 39
Dose vs. distance from a source Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 40
Külsı dózis mérése Azonnali vagy összegzett válaszjel-kiértékelés = Dózisteljesítmény- vagy dózismérés. I D = D η η D : dózisteljesítmény-mérési D hatásfok cps nsv / h = D 1 η D 1 η [ µ (E) x ] I(E) = I0(E) exp B E D E B D: detektor B: gyengítı közeg (pl. detektor ablaka, fala) 41
Külsı dózis mérése Ha a detektorhatásfok energiafüggetlensége nem teljesíthetı, spektrális felbontás alkalmazása is szóba jöhet: = D g I η D D, g, g g: energiacsoportok jele, amelyekre nézve η D konstansnak tekinthetı. 4
Dózisteljesítmény-mérés energiaspektrumok alkalmazásával: az egyes energiatartományokhoz azonos intenzitás/dózisteljesítményátszámítási tényezıt (hatásfokot) rendelhetünk. 43
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 valószínősége függ a dózistól, küszöbdózis nincs, a károsodás mértéke nem függ a dózistól. 44
Az emberi sejt modellje 45
Az emberi sejtmag modellje Membrán - burkolat - félig áteresztı - elválasztja a sejtmagfolyadékot a citoplazmától Nucleolus RNS-t tartalmaz - fehérje és DNS szintézis DNS a genetikus kódot tartalmazó makromolekula 46
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 47
Az ionizáló sugárzás determinisztikus hatása Determinisztikus hatás: - küszöbdózishoz kötött (0,3 0,4 Gy, embrió: 0,1 Gy) - szövetpusztulást okoz a sugárzás, ennek mértéke arányos a dózissal - akut/azonnali hatás - életveszélyes károsodások: központi idegrendszer, emésztırendszer, vérképzı rendszer Ha tá s 1 0 0 % Morbiditás: egyedenként Mortalitás: csoportra 0 % Kü s z ö b Dó z is 48
Determinisztikus dózisfogalom ND = D RBE(R) ND: necrotic dose = szövetpusztulást okozó elnyelt dózis RBE: relative biological effectiveness = relatív biológiai károkozó képesség besugárzási helyzetenként eltérı!! R: sugárzásfajta 49
Determinisztikus dózis: a sugárzás minıségének hatása Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 50
Determinisztikus dózis: sugárzás minıségének hatása áthatoló sugárzás esetén Szerv: Hatás Bármely szerv: pusztulás Bırszövet: pusztulás Besugárzás RBE Fotonok 1 Neutronok 3 Külsı bétasugárzás 1 Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 51
Determinisztikus dózis: sugárzás minıségének 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 Csontvelı szindróma: Vörös csontvelı Béta 1 Alfa 0 Kisenergiájú ( * ) 1/5 Egyéb 1 Béta 1 Alfa ( * ) 19 I, 15 I, 14 I, 13 I Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 5
Vérképzés = vörös csontvelı károsodása A determinisztikus károsodás = nekrózis függése a dózisteljesítménytıl Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 53
Az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatása A fı célpont a sejtmag DNS-állománya DNS: cukor- és foszfátcsoportokból felépülı kettıs spirál, amelyekhez szerves bázisok kapcsolódnak. Láncelem: nukleotid. A láncot a bázisok között hidrogénhidak tartják össze. DNS-bıl felépülı örökítı elemek: kromoszómák. A DNS a sejtet felépítı 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. 54
A sztochasztikus hatáshoz vezetı biológiai dózis fogalma Egyenértékdózis a sejti szintő maradandó, mutációt okozni képes kártétel mértéke arányos a sugárzás LET értékével H = D w R [Sievert, Sv] w R sugárzási tényezı (Q minıségi tényezıbıl képezve) - a LET függvénye, független az expozíciós körülményektıl! w R,α = 0 w R,γ = 1 w R,β = 1 w R,n =.5 0 a neutron-energia függvényében Antropomorf dózisfogalom és mértékegység: az emberi szövetek, sejtek viselkedése befolyásolja a dózisértéket. 55
Sztochasztikus sugárhatás Találat Dysplasia Jóindulatú daganat Rákos daganat Évek a besugárzás után IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 56
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 Koc ká z a t Az egyénre vonatkozó kockázati függvény a szövetek kockázati függvényének összege m = 5*10 - /S v Dóz is 57
Az ionizáló sugárzás hatásai IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 58
Az ionizáló sugárzás hatásai IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 59
A kockázat effektív dózis függvény meghatározása Elfogadott forma: LNT (linear no threshold) Kérdıjelek: 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 idın át adhatók össze a dózisok? 60
A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedı személy kölcsönös pozíciója szerint külsı és belsı sugárterhelés jöhet létre. E = T H T wt[sv] Effektív dózis (gyakran jelölik H E -vel is) w T szöveti súlyozó tényezı T w T = 1 Szöveti súlyozó tényezık az ICRP#103 (007) szerint: ivarszervek w T =0.08 (genetikus hatás) szomatikus hatások legérzékenyebbek w T =0.1 tüdı, gyomor, belek, vörös csontvelı, emlı érzékenyek w T =0.04 máj, vese, pajzsmirigy stb. kissé érzékeny w T =0.01 bır, csontfelszín 61
Effektív dózis szöveti súlyozó tényezık A súlytényezık változása az ICRP #60 (1991) és az ICRP #103 (007) között. 6
További dózisfogalmak Lekötött dózis (Committed dose, H C ) = az inkorporált radioaktivitás által annak teljes kiürüléséig, illetve az emberi élet végéig okozható egyenérték vagy effektív dózis. τ = 50 (felnıttek) vagy 70 év (gyerekek) τ = H c H ( t) dt 0 Kollektív dózis (C) = egy P tagú embercsoportnak ugyanattól a sugárforrástól kapott effektív/lekötött dózisa P C = i= 1 H i 63
Dózis és dózisteljesítmény mérése és számítása Külsı dózis Dózismérıvel, dózisteljesítmény-mérıvel mérhetı Számítási egyenlet (foton-dózisteljesítményre) k γ dózistényezık: pontforrásra, detektoranyagra határozható meg Belsı dózis közvetlenül nem mérhetı Meghatározás módjai: egésztest-számlálás, vér- és exkrétum-analízis, bejutó anyagok (levegı, víz, ételek) analízise DCF [Sv/Bq] dóziskonverziós tényezı egységnyi radioaktivitás inkorporációjához köthetı effektív dózis A dózist fıként a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodási ideje határozza meg Akut (pillanatszerő) vagy krónikus (folyamatos) bevitel eltérı effektív dózist eredményeznek 64
Külsı sugárterhelés számítása Külsı sugárterhelés: a sugárforrás aktivitásának és a detektor-forrás távolságnak ismeretében számítható. Kiterjedt forrásnál a pontszerő alapmodell módosul. A forrás és a személy közötti közegek sugárzásgyengítı hatását az abszorpció és a másodlagos sugárzás intenzitáshányadának növekedését kifejezı build-up tényezı határozza meg. = D D D 0 = k γ A r D0 = c A m f ( r, µ, ρ, V ) ( µ ) B j exp j 0 x j j= gyengítı közegek j 65
Belsı sugárterhelés számítása Belsı sugárterhelés: a forrásés célpontszövetekre meghatározott számítási egyenlet elemeit modellezzük, és a modellbıl meghatározzuk a dóziskonverziós tényezıt: DCF [Sv/Bq] egységnyi aktivitás inkorporációjából származó effektív dózis (H E /A) H = DCF A E be DCF radionuklidonként különbözı, valamint: - Beviteli útvonal szerint (belégzés, lenyelés, bırön át) - Életkor szerint (5 korcsoport) - A radionuklidot hordozó anyag kémiai jellege szerint is. 66
Belsı sugárterhelés A dózist az egyes szövetek eltérı egyenértékdózisainak összegzésébıl kapjuk, a dózist a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekbıl 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 67
Belsı sugárterhelés dózisa A dózist az egyes szövetek eltérı egyenérték-dózisainak összegzésébıl kapjuk, a dózist a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekbıl kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) H T = us S R w R E R f R Q R ( S T) 1 m T A H T szöveti egyenértékdózist egy adott radioizotópra határozzuk meg. u S : az egyes forrás-szövetekben bekövetkezı bomlások száma [darab] w R: sugárzási tényezı [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 szövetbıl kiinduló és a T szövetben energiát leadó hányada (elnyelési hányad) 68
Belsı sugárterhelés dózisa u s : A radioaktív anyagot tartalmazó forrás -szövetekben végbemenı bomlások száma az inkorporáció óta eltelt t idı alatt (a retenció során) Q u s = t 0 A s (t) dt, S T = p( ϑ) p( abs.) R Q: elnyelési hányad; az S és T szövetek közti térszögtıl és az R sugárzásnak a szövetek anyagában történı abszorpciójától függ. p( ϑ) ϑ 4π p( abs.) α β = f ( xs, xt, Rα / / β [ 1 exp( x ] p( abs.) / µ ) γ X T T ) E E 69
Általános biokinetikai modell Methods of Internal Dosimetry for Emergency Response 70
Belsı sugárterhelés számítása A dózisszámításhoz a minta mennyiségi analízise szükséges. Az analízis akkor lehetséges, ha Ismertek a minta minıségi összetevıi, vagy azok az analízis eredményeibıl meghatározhatók, A mennyiségi összetétel számításához hatásfokkalibráció áll rendelkezésre. η = I m megszámolt Hatásfok: részecske A * f γ összes 71
A belsı sugárterhelés számítása Cél: az inkorporált radioaktivitás meghatározása Egésztestszámlálás Résztestszámlálás (pajzsmirigy, tüdı) Testi minták aktivitásának meghatározása (vér, hajszál, exkrétumok: vizelet, széklet, izzadság) Élelmiszerek és víz vizsgálata Levegı aktivitásának meghatározása (aeroszol) 7
Radioaktivitás inkorporációja (I[Bq]) levegıbıl F BR : levegıvétel térfogatárama (m 3 /h) C: aktivitáskoncentráció a levegıben (Bq/m 3 ) t: idı (h) Methods of Internal Dosimetry for Emergency Response 73
Sugárvédelmi szabályozás A sugárvédelem alapelvei Determinisztikus hatáshoz vezetı dózis legyen lehetetlen Csak az alkalmazásokhoz kapcsolható dózis korlátozható, a természetes eredető nem a korlátozás a többletdózisra vonatkozik Expozíciós helyzetek: tervezett, baleseti, fennálló Indokoltság: a sugárforrás alkalmazásának több elınye legyen, mint kára Optimálás: az alkalmazás a lehetı legnagyobb elınnyel kell, hogy járjon optimális dózisszint tervezési alap ALARA (As Low As Reasonably Achievable) Egyéni korlátozás immissziós és emissziós korlátok át nem léphetık, ha a tervezési alap helyes volt. 74
Sugárvédelmi szabályozás Nemzetközi ajánlások, irányelvek: ICRP #60 (1991) IAEA Safety Series #115 (1996) International Basic Safety Standards, 96/9 EU Directive Új ajánláscsomag: ICRP #103(007) IAEA GSG3 (011) interim IBSS,?? Magyar jogszabályok: 1996. évi CXVI. tv. (atomtörvény) módosítva: 011. évi LXXXVII. tv. - Személyi sugárvédelem: NEFMI, NSZSZ, Országos Tisztiorvosi Hivatal - Környezeti sugárvédelem: volt KvVM, felügyelıségek - Nukleáris biztonság: Országos Atomenergia Hivatal 75
Sugárvédelmi szabályozás Új sugárzási tényezık (w R ) ICRP-103 76
Sugárvédelmi szabályozás ICRP-103 - Új szöveti súlyozó tényezık (lásd korábban is) - Expozíciós helyzetek: * planned tervezett (mőködı berendezések, üzemek) * emergency baleseti * existing fennálló (korábbi események miatt) - A javasolt dóziskorlátok változatlanok 77
Effektív dózis szöveti súlyozó tényezık ICRP #60 és ICRP #103 A súlytényezık változása az ICRP #60 (1991) és az ICRP #103 (007) között. 78
Sugárvédelmi korlátok Elhanyagolható dózis 10 µsv/év közvetlenül nem deklarált szabályozó MENTESSÉG, FELSZABADÍTÁS DL dóziskorlát - immisszió korlátozása effektív (lekötött) dózis; a külsı és belsı sugárterhelés összege foglalkozási korlát 0 msv/év (5 év átlagában) lakossági korlát 1 msv/év normális és baleseti helyzetre külön szabályozás DC - dózismegszorítás - emisszió korlátozása: egy, a kritikus (lakossági vagy foglalkozási) csoporthoz tartozó fiktív személynek az adott sugárforrástól származó effektív dózisa kiemelt létesítményekre DC = 0.1 0.03 msv/év kibocsátási szintek egyes radionuklidokra Egy adott személy által elszenvedett dózisok összegzendık, DE a DC-k NEM ADHATÓK ÖSSZE! 79
Emergency workers An emergency worker is any person having a specified role as a worker in an emergency and who might be exposed while taking actions in response to the emergency. Emergency workers may include those employed by registrants and licensees as well as personnel from response organizations, such as police officers, firefighters, medical personnel, and drivers and crews of evacuation vehicles. Module L-ER-7. Radiation Protection and Safety in Emergency Exposure Situation 80
Guidance values for limiting exposure of emergency workers Action H P (10) Life saving < 500 msv ( * ) To prevent severe deterministic health effects To prevent development of catastrophic conditions To avert a large collective dose < 500 msv < 100 msv ( * ) This value may be exceeded under the circumstances where the benefit to others clearly outweighs the emergency worker s own risk and the emergency worker volunteers to take the action, and understands and accepts this risk Module L-ER-7. Radiation Protection and Safety in Emergency Exposure Situation 81
DC i Az egy személybe bejutó aktivitás sokkal kisebb, mint a kibocsátható (A max, i Emissziós sugárvédelmi korlátok DCF A max : Az adott dózismegszorításnál (DC) bevihetı aktivitás az egyes radionuklidokból i ) A i,max << A i,ki A normális üzemelés során kibocsátott aktivitás (Kibocsátási korlát [Bq/év]) nem koncentrálódhat egyetlen személyben. Az emissziós korlátozás két lényegi eleme, a létesítmény környezetében élı lakosságra vonatkozó dózismegszorítás és a létesítménybıl * levegıbe és * vízi úton kibocsátott aktivitás közötti kapcsolatot a TERJEDÉSI MODELLEK (mobilitási tényezık) teremtik meg. A terjedés során a szennyezés hígul, de vannak dúsulást okozó részfolyamatok is. A modell és egy valóságos terjedési folyamat összevetése a validálás. 8
Emissziós korlátozás - kibocsátási határértékek Kibocsátási határérték-kritérium: KHK A i : az i-edik radionuklidból kibocsátott aktivitás [Bq/év] Kibocsátási határérték: KH [Bq/év] izotóponként mf i,krit : mobilitási tényezı [-] az i-edik radioizotóp hígulása a kibocsátás helyétıl a kritikus csoportig (=referencia személyig) KHK KH i = = i Ai KH DC DCF i i,krit 1 1 mf i,krit 83
Sugárvédelmi szabályozás Mentesség: Nem tartozik az atomtörvény hatálya alá az a radioaktív anyag, a) amelyben a radionuklid teljes aktivitása, vagy b) amellyel kapcsolatos tevékenység során az anyagban elıforduló radionuklid egységnyi tömegre vonatkoztatott aktivitás koncentrációja nem haladja meg a külön jogszabályban meghatározott mentességi szintet. Mentességi szint: [Bq] és [Bq/g] a legkedvezıtlenebb forgatókönyv mellett sem okozhat az elhanyagolhatónál nagyobb dózist. Már az alkalmazásnál sem kell védelmi intézkedéseket alkalmazni, mert kicsi a károsítás kockázata. 84
Sugárvédelmi szabályozás Felszabadítási szint (Clearance level) A hatóság által meghatározott, aktivitás-koncentráció [Bq/g vagy Bq/m ] egységekben kifejezett értékek, amelyeknél, ill. amelyek alatt a sugárzó anyagok és az ezeket korábban alkalmazó létesítmények kivonhatók a hatósági felügyelet alól. Feltételes és feltétlen felszabadítás: a forgatókönyvtıl függıen vagy függetlenül szabadítható fel az anyag. Korábban, az alkalmazásuk folyamán felügyelt (védelmi intézkedésekkel korlátozott) anyagok = hulladékok az alkalmazás befejezése, valamint kezelés után lecsökkent a kockázatuk. 85
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban a sugárzásdetektorok egyes sajátosságai Kis aktivitások mérésére alkalmas nukleáris analitikai mérési eljárások: Részecske-szelektív alfa-számlálás (ZnS(Ag) szcintillációs detektor, gáztöltéső detektorok) Alfa-spektrometria (PIPS detektor) Nyomdetektoros alfa-analízis (radonmérés) (CR-39 NTD + maratás) Részecske-szelektív béta-számlálás (plasztik szcintillációs detektor, folyadékszcintilláció LSC) Korlátozott körben energiaszelektív béta-spektrometria (PIPS, LSC) Gamma-spektrometria szcintillációs vagy félvezetı detektorokkal (NaI(Tl), CsI(Tl), LaBr 3 (Ce), BGO, HP Ge) 86
BGO bizmut-germanát szcintillációs detektor 87
A szcintilláció mechanizmusa A d csapda szintrıl alapállapotba kerülı elektron által emittált fényfotont nem tudja elnyelni a kristály 88
Szcintillációs detektor és fotoelektronsokszorozó A detektorból érkezı fényfotonok a fotokatódra beesve elektronokat váltanak ki, azok a csı vákuumterében a dinódákra adott egyenfeszültség hatására felgyorsulnak. 89
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai Analitikai detektorok mérési paramétereinek meghatározása - Kalibrációk A/ Sugárzás- és energiaszelektivitás minıségi analízis Sugárzás-szelektivitás: jelalak és/vagy jelnagyság alapján Energia-szelektivitás: jelnagyság alapján Detektorrendszer: detektor + analóg eszközök + analizátor (MCA) Detektor analóg kimenıjele: impulzusok nagyság és gyakoriság jellemzi. Analóg/digitális konverzió (ADC) az impulzusnagyságot (feszültség, töltés) csatornaszámmá konvertálja Detektorok válaszjeleinek gyakoriság-eloszlása a jelek (impulzusok) nagyságának (=az elnyelt részecske által leadott és egy válaszjelet eredményezı energia mennyiségének) függvényében: SPEKTRUM. 90
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai Regresszió a csatornaszám / energia függvény meghatározására: χ r 1 = n m n i i= 1 σi (c f (E i )) n: mérési pontok száma, m: az f(e) függvény együtthatóinak száma, c: az adott gammaenergiából kialakult csúcs centruma [csatornaszám], E: gammaenergia [kev] az izotóptáblázatból, σ i az i-edik csúcs centrumának varianciája, azaz leolvasásnak bizonytalansága. Χ r : redukált maradványnégyzet-összeg (khi-négyzet) i ) = p Ei + p1 Ei + f ( E p 0 91
Kalibrációs paraméterek meghatározása ( χ p r j ) = 0 j = 1,,...m A redukált maradvány-négyzetösszeg kifejezését a meghatározandó paraméterek szerint deriváljuk. A deriváltak zérushelye jelzi a minimumot, az elıálló homogén egyenletrendszerbıl a paraméterek számíthatók. Elınyös, ha az egyenletrendszer a paraméterekre nézve lineáris vagy linearizálható. (Ha nem az, akkor iterációs megoldás szükséges.) 9
Csatornaszám/energia kalibráció 93
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai B/ Hatásfok mennyiségi analízis Regresszió a hatásfok / energia függvény meghatározására Hatásfok: megszámolt összes részecske Gammasugárzásra: η: számlálási hatásfok, I m : az adott radioizotóptól származó megszámolt jelek száma idıegység alatt (intenzitás), A: aktivitás, fγ: gamma-gyakoriság η = A I m * f γ 94
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai χ r = n 1 m n [ln( η i ) m j= 0 p σ i= 1 ln ηi j * ln(e i ) j ] Kétszer logaritmikus kalibrációs polinom Hatásfok gammaenergia függvény Tapasztalat szerinti legelınyösebb megoldás: k=3, két paraméter-sorozat E<= E C.O. és E>E C.O. esetekre. C.O.: cross-over energia, ahol a hatásfok értékét meghatározó domináns fizikai folyamatok egymásba főzıdnek. 95
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai C/ Felbontóképesség a mennyiségi és a minıségi analízis elıfeltétele, hogy az egyes spektrumcsúcsok (gamma, alfa) egymástól kellıen szeparálva legyenek. Félértékszélesség (F) a csúcs szélessége a csúcsmagasság felénél: az adott abszcisszákhoz tartozó ordináták különbsége. Kifejezhetı csatornaszámban, energiában és relatív számként: F = rel F c o 96
Detektorok sajátosságai - felbontóképesség A gammacsúcsok szélesedésének oka a detektorban végbemenı bemenıjel kimenıjel transzformáció bizonytalansága. (Ennek egyik tényezıje az un. Fano-faktor) Ez az ún. vízszintes szórás, amely a spektrum vízszintes tengelye mentén okoz szélesedést. A vízszintes szórás (félértékszélesség) függ a gammaenergiától: F a E + b i i A nukleáris statisztikus szórás következtében a mért beütésszámok értéke is bizonytalan. A beütésszám a spektrum függıleges tengelyén ábrázolandó, ezért ezt függıleges szórásnak nevezhetjük. A két hatás lényegében független egymástól. 97
Félértékszélesség FWHM full width at half maximum 98
Gamma spektrum NaI(Tl) szcintillációs detektorral 99
Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Nukleáris statisztikusság = Függıleges szórás a spektrumokban = a beütésszám bizonytalansága Var ( N) = σ = N N Hibaterjedés Propagation of Error közelítés sorfejtés 1. tagjának alkalmazásával: Var ( Z ) Var ( X ) Z * X 100
101 Mérési bizonytalanság, hibaterjedés 1 1 minta- és háttérmérés, összes beütésszám B S B S N r B S B Var S Var N Var B S N N N + = = + = + = = σ ) ( ) ( ) ( Intenzitásra: N I M r r t N I = =
10 Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Több, egymást követı háttér/alapszint mérés (összes beütésszám vagy ROI region of interest beütésszáma) n B B n B B r n B B n B Var n B Var B n B B B i n i i n i i = = = = = = = = = 1 1 ) ( 1 ) ( 1 1 1 σ
103 Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Több, egymást követı háttérmérés, összes beütésszám Alternatíva: tapasztalati szórás 1) ( 1) ( ) ( 1) ( ) ( 1 ) ( B n n B n B B n n B B B s r n n B B s n B B s i i B B i B i B = = = =
104 Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Szorzat- és hányadosfüggvények varianciája : Y X Z r r r Y X Var(Y) X Y X Var(X) Y Z Var(Z) Var(Y) X Var(X) Y Var(Z) Var(Y) Y Z Var(X) X Z Var(Z) Y X Z + = + + + =
105 Mérési bizonytalanság, hibaterjedés 1 1 1 γ γ γ γ η η η f A I f A f I A f A I m m m = = = η f γ A I r r r r m + + = Szorzat- és hányadosfüggvények varianciája - Alkalmazás a hatásfok bizonytalanságának számítására: γ η = f A I m Behelyettesítve, és a relatív varianciákat kifejezve:
Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Logaritmikus transzformáció: ln( x) 1 Var = x x ( ) ln( x) = Var( x) = Var( x) r Alkalmazás: hatásfok gammaenergia kétszer logaritmikus függvény illesztése x 106
Kis aktivitások meghatározása Spektrumok feldolgozása Közvetlen kiértékelés: csúcsok centrumának és intenzitásának meghatározása Közvetett kiértékelés: a sugárzási energia meghatározása, izotópazonosítás, aktivitás kiszámítása 107
Gamma spektrum HP Ge félvezetı detektorral 108
Gamma spektrum kiértékelése [GSANAL] 109
HP Ge gamma spektrum eredménylistája Roi# Centre Energy LM RM Peak Area Intensity Error Isotope (ch) (kev) (cps) (%) 1. 103.0 75.8 91 * 1.495e+004.637e-001 11. Bi-14,Pb-14,Pb-Xray. 117. 86.5 * 130 4.0e+003 7.094e-00 7.8 Pb-14,Pb-Xray 3. 317.6 38.0 31 *.089e+003 3.686e-00 14. Pb-1 4. 3.7 41.8 * 38 4.963e+003 8.754e-00 8.0 Pb-14 5. 393.1 95.0 384 399 1.094e+004 1.99e-001 4.0 Pb-14 6. 468.1 351.7 459 474 1.798e+004 3.171e-001 3.6 Pb-14 7. 678.8 510.9 668 686 1.643e+003.898e-00 1.7 Annih.,Tl-08 8. 774. 583.1 765 78 6.000e+00 1.059e-00 4.3 Tl-08 9. 808.8 609. 798 815 1.964e+004 3.463e-001 3.1 Bi-14 10. 883.0 665.3 873 89 4.990e+00 8.818e-003 7.3 Bi-14 11. 1019. 768. 1008 106 1.745e+003 3.078e-00 9.1 Bi-14 1. 1069.1 805.9 1063 1079 4.110e+00 7.60e-003 30. Bi-14 13. 138. 933.7 130 146 8.900e+00 1.570e-00 14.9 Bi-14 14. 1484.5 1119.9 1476 149 3.97e+003 7.007e-00 5.1 Bi-14 15. 1530.6 1154.7 155 1539 4.700e+00 8.30e-003 1.9 Bi-14 16. 1640.5 137.8 1634 1647 1.44e+003.544e-00 8.4 Bi-14 17. 1697. 180.6 1691 1703 3.0e+00 5.695e-003 8.8 Bi-14 18. 184.8 1377.1 1818 1831 1.066e+003 1.881e-00 9. Bi-14 19. 1856.5 1401.0 1848 *.870e+00 5.073e-003 19.6 Bi-14 0. 1864.8 1407.3 * 1871 5.170e+00 9.136e-003 17.1 Bi-14 1. 1934.7 1460.0 198 194 6.60e+00 1.105e-00 14.9 K-40. 1998.8 1508.5 1989 006 4.500e+00 7.943e-003 1. Bi-14 3. 00.4 1660.8 19 06.300e+00 4.065e-003 5. Bi-14 4. 90.1 178.6 83 97 6.540e+00 1.155e-00 10.9 Bi-14 5. 336.3 1763.5 36 344 3.149e+003 5.554e-00 5. Bi-14 6. 43.7 1836.4 48 * 9.500e+001 1.690e-003 8. Bi-14 7. 445.6 1846.1 * 455 4.490e+00 7.93e-003 16. Bi-14 8. 803.9 116.8 797 814.10e+00 3.910e-003 3.8 Bi-14 9. 917.8 0.8 909 95 7.980e+00 1.407e-00 8.3 Bi-14 30. 3460.1 61.5 3453 3468 3.590e+00 6.344e-003 11.1 Tl-08 Isotope LD of Act.Conc (Bq/m^3) Cs-137 1.43E-003 Cs-134.71E-003 I-131 1.6E-003 I-13 1.7E-003 I-133 1.17E-003 Co-60 1.49E-003 110
Spektrumanalízis alapjai Csúcsterület Közelítı terület: a ROI tartományában lévı összes beütésszám, levonva más, nagyobb energiájú csúcsok Compton-tartományát: trapézmódszer N R i= L y R + y L yi * (R L + 1) N: a csúcs területe (= beütésszámok összege), R, L : határcsatornák sorszáma, y-ok a beütésszámok (csatornatartalmak). Összegzéssel csak a különálló csúcsok területe számítható, az átfedések felbontása csak alakfüggvény-illesztéssel oldható meg. 111
Spektrumanalízis alapjai Csúcsterület szórása a trapézmódszernél Var R R L + 1 ( N ) y + ( y + y ) i R L i= L 11
Spektrumanalízis alapjai Ha a vízszintes szórás szimmetrikus torzulást okoz a jelkonverzióban, akkor a teljes energia-abszorpció által létrejövı spektrumcsúcsok alakja Gauss-jellegő lesz: G(x) = N π * σ *e (x µ ) σ = y 0 *e (x µ ) σ σ a Gauss-görbe szórása (az inflexiós pontok közötti szélessége), µ a görbe (csúcs) centruma, x az egyenlet szerint folytonos, a valóságban nyilvánvalóan diszkrét független változó, azaz a sokcsatornás analizátor csatornaszáma, y 0 az amplitúdó, N a Gauss-integrál = csúcsterület 113
Spektrumanalízis alapjai A tényleges γ- és α-csúcsalakok aszimmetrikusak, elsısorban a csúcs baloldalán. Az alapvonal elegendıen keskeny csúcs esetében a csatornaszám lineáris vagy esetleg parabolikus függvényeként közelíthetı: B(x)=a*x+b a detektor-konverziós folyamatok pontos fizikai leírásával más alakzatok (pl. lépés- (erf(x)) függvény) is bevezethetık. Ha a csúcsok átfednek, az átfedı csúcsokat közös ROI-ban foglaljuk össze. A spektrumcsúcso(ka)t és az alapvonalat magában foglaló válaszfüggvény (response, R) az átfedı (esetleg módosított) Gauss-profilok és a közös alapvonalfüggvény összege: R ( x ) = G ( x ) + p B ( x ) 114
Spektrumanalízis alapjai Az R függvény paraméterei regresszióval határozhatók meg. A regressziós maradvány-négyzetösszeg elıállításához a ROI-nak legalább n=m +1 pontból kell állnia (csúcsonként legalább 3, lineáris alapvonalnál további paraméter m=3 p+). n [ y = i R i ] χ σ i = 1 Csúcsonként két paraméter: centrum és szélesség rögzíthetık egyszerősödhet az illesztés. y i 115
Spektrumanalízis alapjai Csúcskeresés Az illesztés a Gauss-függvény szórását és centrumát illetıen nem linearizálható, így csak a paraméterek elızetes, pontos becslését feltételezı iterációs regresszióval lenne megoldható. Egyszerősíthetı a feladat, ha a két nemlineáris paramétert külön eljárásban, az ún. csúcskeresés során rögzítjük. Az együttes illesztés elvileg is megkérdıjelezhetı. 116
Spektrumanalízis alapjai A csúcs centrumának megfelelı csatornában a Gaussgörbe elsı deriváltja elıjelet vált pozitívból negatívba, a második derivált centrális tartománya (azaz x-µ <σ) negatív, a minimum helye a csúcs centruma. A deriváltakat a mért spektrum beütésszámainak felhasználásával, numerikus konvolúcióval elı lehet állítani. G ( x ) = x σ µ * y0 * e (x µ ) ( x µ ) σ ( x µ ) G ( x) = y0 exp 4 σ σ σ 117
Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Centrum helye: 1. derivált zérushelye G (x) x µ = * σ y 0 * e ( x µ ) σ Centrum helye:. derivált negatív minimuma (x µ) (x) = σ G 4 σ * y 0 * e ( x µ ) σ 118
A Gauss-csúcsalakfüggvény és deriváltjai 119
Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Simítás (smoothing) numerikus konvolúció s k = c y i k, j i+ w j Simítás = a szomszédos pontos súlyozott átlagaként elıállítható a spektrum k= 0., 1.,. deriváltja Alkalmas - A csatornatartalmak függıleges szórásának csökkentésére; - A spektrum numerikus deriváltjainak elıállítására - A simított adatok varianciájának számítására k Var ( si ) = c k, j yi+ j w 10
11 Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Példa: egyszerő differenciaképzés 3 ; 1 ; 1 0 ; ) ( ) ( 1 1 0 1 1 1 1 1 = = = = = + + + w c c c y y y y y y s i i i i i i i
Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Csúcskeresés a simított spektrumokból Ha a c tényezıket szórással nem terhelt konstansoknak tekintjük, akkor a 0. illetve. deriváltra alapozott csúcskeresés az egymást követı alábbi értékek maximumának kiválasztásával oldható meg: s[ i] Var( s[ i]) centr = i w w Var ( s[ i]) s[ i] Var s[ i] ( s[ i]) 1
Közvetlen spektrumkiértékelés Csúcsterület Gauss-függvénnyel közelített csúcsalaknál: N p π y0, p σ p Szórás és félértékszélesség kapcsolata: F = 8 ln() σ 13
Közvetlen spektrumkiértékelés Csúcsterület meghatározása módosított Gauss-függvénnyel közelített aszimmetrikus csúcsalaknál: N p R * i= L y * G ( i) y * 0, p 0, p R L G * ( x) dx 14
Közvetett spektrumkiértékelés Centrum Csúcsterület Gammaenergia, Izotópazonosítás (csatornaszám/energia kalibrációval) Intenzitás, aktivitásszámítás az azonosított izotópokra (hatásfok/energia kalibrációval) Bizonytalanság számítása KÖTELEZİ! Eldöntendı, hogy egy feltételezett komponens jelenléte, illetve mennyisége szignifikáns-e A BIZONYTALANSÁG ALAPJÁN! 15
Szignifikancia - kimutathatóság L C = critical level az a nettó beütésszám, aminek elérése esetén igazoltnak tekintjük az adott radionuklid jelenlétét a vizsgált mintában. Az L C -re alapozott vizsgálat utólagos (a posteriori) kritériumvizsgálat. Elsıfajú hiba: a mintában nincs jelen a keresett nuklid, mi mégis igazoltnak véljük jelenlétét. L C értékének megfelelı nettó beütésszám regisztrálása esetén legfeljebb α lehet annak a valószínősége, hogy elsıfajú hibát követünk el. Minden α értékhez tartozik a normalizált normális eloszlásból egy k α -érték, amelynél a normalizált normális eloszlás integrálja éppen (1-α) lesz. 16
Szignifikancia - kimutathatóság Normalizált normális eloszlás: Gausseloszlás N=1, µ=0 és σ=1 helyettesítéssel G n (x) = 1 π * e (x 0) Ha 1-α = 95 %, akkor k α = 1.645 95 %-os megbízhatósági szint k α G n (x) = 1 α 17
Szignifikancia - kimutathatóság A nukleáris bomlásból származó detektor-válaszjelek mérésénél - akkor, amikor a keresett radioizotóp valójában nincs jelen a mintában - az alapszint (háttér) eloszlásának egyes kimeneteleit mérjük. A mért jelszám S, az alapszint (háttér) B, különbségük, a nettó jelszám várható értéke µ=0. Mivel S B, σ S (B)½ Az alapszint mérési bizonytalansága σ B. N (µ = 0) = S B 18
Szignifikancia - kimutathatóság A kritikus szint, LC definíció-egyenlete : L = k * σ = k * C α µ= 0 α σ 0 ahol σ σ B σ 0 S B B σ = + + r LC = σ L 0 C 1 k α Az L C -vel azonos nagyságú nettó beütésszám/csúcsterület relatív bizonytalansága 19
Szignifikancia - kimutathatóság L D = detection level az a valódi jel = nettó beütésszám, amely, ha jelen lenne a mintában, β-nál nem nagyobb valószínőséggel eredményezne L C -nél kisebb, tehát a jelenlét elutasítását maga után vonó mért nettó jelszámot. Az L D -re alapozott vizsgálat megelızı (a priori) kritériumvizsgálat. 130
Szignifikancia - kimutathatóság Másodfajú hiba: a mintában jelen van a keresett nuklid, mi mégis elvetjük a jelenlétét elismerı hipotézist. Tehát L D nyi aktivitás jelenléte esetén β-nál nem nagyobb valószínőséggel adódna másodfajú hiba. A mért nettó beütésszámok eloszlását ábrázoló függvény ordinátáján a µ=l D várható értékő és σ szórású Gauss-eloszlás integráljának β hányada lesz L C -nél kisebb. 131
Szignifikancia - kimutathatóság L D definíció-egyenlete: LD 0 = L + k * σ = k * σ + k * σ C β L α β L D a mért S bruttó beütésszám és a B alapszint különbsége, tehát S = L D + B, és innen az L D -vel azonos nagyságú nett beütésszámra: Var D ( L ) σ = S + σ = L + B + σ = L + σ D = B D B D 0 13
Szignifikancia - kimutathatóság L D általános esetben: L D = L C + k * (L + β D L k C α ) A fenti másodfokú egyenletet k α = k β = k helyettesítéssel megoldva ezt kapjuk: L = L + D C k 133
Szignifikancia - kimutathatóság Mennyi lehet az L D -nyi beütésszám relatív hibája? r L D = k B(1 + k 1 n ) + B(1 + k 1 n ) + B(1 + + k 1 n ) Behelyettesítünk α=β-t, valamint n számú alapszint-(háttér-)mérést feltételezünk. Ha n=1 és α = β = 5 %, az alábbi két jellemzı érték adódik: ha B=1, a relatív szórás 4%, ha B=10000, a relatív szórás 31%. 134
Szignifikancia - kimutathatóság 135
Szignifikancia - kimutathatóság 136
Szignifikancia - kimutathatóság Határozzuk meg egy, a spektrumban nem látható radioizotóp kimutatható aktivitását! 1. A várható csúcs centruma és szélessége. L C számítása a mért spektrumból ( B kijelölése!) 3. L D számítása L C -bıl [beütésszám] 4. Átváltás aktivitásra [Bq] Ellenırzés: az így definiált csúcs generálása a spektrumban, felismerése a csúcskeresı rutinnal. TERVEZİPROGRAM! A LD = f γ L t D m η(e) 137
Mesterséges radioaktivitás kimutatása természetes sugárforrások jelenlétében Természetes radioaktivitás komponensei Állandó és változó intenzitású komponensek Speciális esetek: a mesterséges radioaktivitás is természetes radionuklid, csak 138
Természetes sugárterhelés : átlagosan - 3 msv/év belsı sugárterhelés 65 70 % (radon és toron leányelemei, 40 K, 14 C, 3 H stb.) külsı sugárterhelés 30 35 % (kozmikus sugárzás, ısi nuklidok γ-sugárzása a talajból, építıanyagokból) továbbá: orvosi eredető sugárterhelés átlagosan már >1 msv/év 139
Rn (Radon) leányelemek Rn- T= 3.83 nap α (5.49 MeV) Po-18 T = 3.11 perc α (6.00 MeV) Pb-14 T= 6.8 perc β (500 kev) γ (95 kev ; 35 KeV) Bi-14 T= 19.9 perc β (1400 kev) γ (609 kev ; 110 kev ; 1765 kev) Po-14 T= 164 µs α (7.69 MeV) ------------------------------------------------------------------------------------------- Pb-10 T=.0 év 140
0 Rn (Toron) leányelemek Rn-0 T= 55.6 s α (6.3 MeV) Po-16 T = 0.15 s α (6.77 MeV) Pb-1 T= 10.6 óra β (570 kev) γ (39 kev) Bi-1 T= 60,6 perc β (40 kev) 64 % α (6.05 MeV) 36 % γ (77 kev) Po-1 T= 0.3 µs α (8.78 MeV) Tl-08 T= 3.05 perc β (700 kev) γ (583 kev ; 614 kev) 141
Hogyan jut a radon a lakótérbe? 14
Honnan jut radon a lakótérbe? Forrás: Jobbágy Viktor Ph.D. dolgozata (007) 143
144
PÓRUS a radon közvetítıje a felszíni légtérbe Forrás: http://konyvtar.uni-pannon.hu/doktori/007/jobbagy_viktor_dissertation.pdf Emanáció: radon kibocsátása a rádiumot tartalmazó szilárd szemcsékbıl a pórustérbe Exhaláció: radon kijutása a légtérbe A talaj átlagos exhalációs sebessége: 17 mbq/m /s Rn 145
146
?? 147
Radon - szabályozás Hatályos sugárvédelmi rendeletben (16/000. EüM.): a természetes forrásoktól származó munkahelyi sugárterhelést szabályos körülmények mellett tartósan fennálló sugárterhelésnek kell tekinteni, amelyre a beavatkozásokkal szemben támasztott követelmények érvényesek. Az ilyen esetekre vonatkozó cselekvési szint 1000 Bq*m -3 radon-koncentráció a levegıben, éves átlagban. Készülı építıanyag-rendeletben: Az Európai Bizottság ajánlása szerinti ún. aktivitáskoncentráció-index alapján az építıanyag korlátozás nélkül felhasználható lakóépületek beltéri részleteihez, ha az alábbi összefüggés szerinti radioaktivitásindex értéke 1-nél kisebb. I = C Ra 6 300 + C Th 3 00 + C K 40 3000 1 148
Radon - szabályozás Belsı sugárterhelés korlátozására: rádiumindex (Svédország) I Ra cra 6 = 00 1 149
Radonkoncentrációk A dózissal közvetlen kapcsolatba hozható mennyiség a potenciális alfa-energia-koncentráció (PAEC): PAEC MeV m ( ) N *13.71+ N * 7.69 + N * 7.69 * = 1 3 3 1 V N 1 : az 1. leányelem ( 18 Po) nuklidjainak száma, N : a. leányelem ( 14 Pb) nuklidjainak száma, N 3 : a 3. leányelem ( 14 Bi) nuklidjainak száma, V a vizsgált levegı térfogata. Egy 18 Po-nuklidból 6.0 + 7.69, összesen 13.71 MeV alfaenergia, egy 14 Pb- illetve egy 14 Bi-nuklidból 7.69 MeV alfaenergia juthat a szervezetbe. 150
Radonkoncentrációk Ha a radon-anyaelem ( Rn, 0 index) és leányelemei szekuláris egyensúlyban vannak, akkor aktivitásuk és aktivitás-koncentrációjuk körülbelül azonos. A 0 A 1 A A 3 PAEC eq = c 0 13.71 * λ1 + 7.69 λ + 7.69 λ 3 N = A λ illetve c = A V helyettesítéssel 151
Radonkoncentrációk Egyensúlyi egyenérték koncentráció (EEC [Bq/m 3 ]) = az adott keverék által a légutaknak okozott egyenérték dózissal arányos összes (potenciális) alfa-energia ugyanakkora, mint egy fiktív egyensúlyi keveréknek tulajdonítható PAEC eq EEC = PAEC PAEC eq 13.71 7.69 c1 + c + c3 λ1 λ c0 = 13.71 7.69 7. 69 + + λ λ λ 1 3 7.69 λ 3 15
Radonkoncentrációk EEC = c1 0.105+ c 0.516+ c3 0.379 f = EEC c 0 Effektív egyensúlyi tényezı Tapasztalati értékek: Szabadban 0.8 --- 1 Zárt térben 0.4 --- 0.7 Átszámítás effektív dózisra: 0 --- 60 Bq/m 3 (c 0 vagy EEC)?? 1 msv/év 153
Radon meghatározása Gázkoncentráció mérése: nyomdetektor, aktív és passzív mérıkamrák detektor: átáramlásos ionkamra, Lucascella (ZnS(Ag) szcintillátor) Rn mérése vízben: folyadékszcintilláció/extrakció Rn-leányelemek mérése: Tsivoglu-módszer alfa- és gamma-spektrometria 154
Radongáz mérése levegıben RADIM 3A 155
Radongáz mérése levegıben RADIM 3A A mérés elve: The radon diffuses into the chamber, covered by felt. The felt absorbs the air-borne radon decay products. The radon activity is determined by measuring the α-activity of 18 Po, collected by the electric field on the surface of the semiconductor detector. Diffúziós kamra, a radon-leányelemek nem jutnak be a mérıtérbe. A mérıtérben az ott keletkezett radon-leányelemeket elektromos tér juttatja a Si detektor felületére. A győjtés és mérés számítási összefüggéseit ld. a Tsivoglu-módszernél. 156
Radon mérése vízben 157
RADIM-3W mérési elve A vízben oldott radon kibuborékolva a mérıtérbe jut a továbbiakban ld. RADIM 3A 158
Radongáz mérése Néhány további mérési megoldás: CR-39 nyomdetektor: diffúziós kamrában polikarbonát felületén lánctörést okoznak az alfa-részecskék, a keletkezett nyomok maratással nagyíthatók. A nyomokat optikai számláló regisztrálja. Radongáz mérése vízben: YAP (YAlO 3 :Ce) vagy YAG szcintillációs detektorral, közvetlenül a vízben lévı radont méri, kibuborékoltatás nélkül, a gammasugárzó leányelemek révén. 159
Radon meghatározása a leányelemek aktivitásából Az aeroszol elektrosztatikus leválasztása, bomlásgörbe meghatározása összes alfaintenzitás mérésével Tsivoglu-módszer: összesalfaintenzitás mérése a győjtés befejezése után dn c 1 1 V& η f = λ1 * N dt λ 1 1 Az 1. leányelem ( 18 Po) nuklidjainak száma a szőrı felületén dn dt c V η f = λ N + λ1 N1 λ A. leányelem ( 14 Pb) nuklidjainak száma a szőrı felületén 160
Radon meghatározása leányelemek kiszőrése a levegıbıl A 1, c = c V ( ) 1 e λ1t c 1 1 e λ1t c = c V 1 λ t 1 1 c λ A szőrın t c győjtési idı alatt összegyőlı aktivitás az 1. leányelemnél arányos az adott leányelem átlagos aktivitás-koncentrációjával, az átszőrt térfogattal, és a build-up (felnövekedési) tényezıvel. A szőrés befejezése után exponenciális bomlás történik. 161
Radon meghatározása Tsivoglu-módszer: A győjtés diff. egyenleteinek megoldása a mintavétel végpontjára: A 1c, A c, A 3c kifejezhetık. I I I α α α (5) (15) (30) = η m = η = η (A m m 1c (A (A f 1c 1c 1 f f (t = 5) + A 1 1 c (t = 15) + A (t = 30) + A f c c f (t = 5) + A f f (t = 15) + A 3c 3c (t = 30) + A 3 3c (t = 5)) f 3 f (t = 15)) 3 (t = 30)) Az intenzitásokat mérjük, az idıfüggések kiszámíthatók 3 egyenlet 3 ismeretlennel, megoldható. Modern megoldás: regresszióanalízis. (R i a fenti egyenletrendszer jobb oldalán látható függvény.) χ = n ( i= 1 ΣI α,i I σ α,i R i ) 16
Radon meghatározása A Tsivoglu-módszer fogyatékosságai: Nem vizsgálható a 0 Rn mennyisége; Azonos hatásfokot feltételez az E α -kra; Nem veszi figyelembe a bomlást a mérési ciklusok alatt. 0 index: a mérési ciklus kezdetekor fennálló állapot N t N = η 1 m t m 0 exp( λt A(t) dt m I = = η* A 0 * = m λt m ) I 0 *f m 163
Radon meghatározása Radon EEC mérése aeroszolszőréssel: Környezeti monitorozás részeként is megvalósítható. Mintavétel számítási egyenlete: ld. Tsivoglu Mérés: folyamatos és szakaszos módszerrel Detektálás: alfa- és/vagy gamma-spektrometria Rn: 1. és 3. leányelem. és 3. leányelem 0 Rn: 1 és 3. leányelem., 3. és 4. leányelem 164
Környezeti monitorozás Általános és korai riasztást adó (KRA) módszerek Dózisteljesítmény-mérés KRA Levegı radioaktivitásának mérése KRA Nedves és száraz kihullás mérése Vízaktivitás-mérés Talaj- és növényminták mérése Állati minták mérése 165
Dózisteljesítmény-mérés Gamma-dózisteljesítmény szabadtéren 166
KORAI RIASZTÁS környezeti dózisteljesítménymérı válasza 6 hónap alatt dose rate [nsvh] A hosszú idıtartamú felvételen 3 hatás látható: helyi hatás (kibocsátás), gyors környezeti hatás (szennyezık terjedése), lassú (évszaktól függı) változás 167
Dózisteljesítmény [nsvh] KORAI RIASZTÁS helyi hatások Frissen készített radioaktív sugárforrások használata figyelhetı meg az oktatóreaktor közvetlen közelében telepített mérıberendezéssel. Az ábrán 4 Na sugárforrás elıállítása és tárolása által okozott hatás látható. 168
Dózisteljesítmény [nsvh] KORAI RIASZTÁS csapadékcsúcsok Az esı vagy hó rendszeresen kimossa a levegıbıl a lebegı port (aeroszolt). A földfelszínre jutó por felületén megkötött Rn- és 0 Rn-leányelemek így feldúsulnak a mérıeszköz környezetében a száraz állapothoz képest. A leányelemek bomlásgörbéjét a felezési idejük jól jellemzi. Hasonló, de más lecsengéső csúcsok alakulnának ki mesterséges szennyezés légköri migrációja során is. 169
Aeroszolmintavétel és mérés Szőrés módja: állószőrı vagy mozgószőrı Detektorok: 1 vagy több sugárzásdetektorral (α- és β-spektrum, γ- spektrum) Mérési mód: a mintavétellel együtt vagy azt követıen; tagolt vagy folyamatos mérési ciklusban. Kiértékelés: mesterséges eredető szennyezés, radon (toron) EEC - LD vagy c A [Bq/m 3 ] Háttér és alapszint: külsı gamma-dózistér, illetve Rn-és 0 Rn-leányelemek mindkettı változik a mérés alatt! Mesterséges radioaktivitás felépülése a szőrın = lásd radonos differenciálegyenletek! 170
KORAI RIASZTÁS aeroszol- és jódszőrés (AMS-0) Az AMS-0 állomások kiértékelı szoftvere az alábbi feladatokat látja el: Adatgyőjtés a detektorokból (α/β és γ); A nukleáris spektrometriai mérési adatok kiértékelése: mesterséges eredető radioaktivitás azonosítása a változó nagyságú természetes alapvonalon ; A detektorok rendszeres újrakalibrálása (erısítés beállítása); Az elektromechanikus egységek vezérlése (manipulátor, levegıpumpa, szőrık rögzítése stb.) ; Adatátvitel a csatlakozó meteorológiai mérıeszközrıl és a dózisteljesítmény-mérırıl; Kommunikáció a központi számítógéppel. 171
Állószőrıs monitorozó berendezés 17
Állószőrıs monitorozó berendezés AMS-0 számítógéppel vezérelt manipulátor a szőrık rendezéséhez 173
KORAI RIASZTÁS AMS-0 A mérıprogram optimális beállításai - Mintavételi ciklus: 4 óra - normális mód, 1 óra rendkívüli mód - Mérési-kiértékelési ciklus: 5 perc - Figyelmeztetı/riasztó (F/R) üzenet: 3/1 olyan egymást követı ciklus után, ahol a mesterséges radioaktivitásra beállított szinteket túllépték. A jelentésekben küldött eredmények Rn és 0 Rn EEC a mintázott levegıben [Bq/m 3 ]; Ha az F/R küszöböt meghaladta az aeroszolhoz kötött mesterséges radioaktivitás mennyisége, minıségi becslés az aktivitáskoncentráció minimum és maximum [Bq/m 3 ] értékeivel; Ugyanez az atomos és/vagy szerves jódokra: minimum és maximum [Bq/m 3 ]; Ha nem volt mesterséges aktivitás jelen, LD-ket számol a program. 174
Mintavétel és mérés számítási Az elsı leányelem győjtése és fogyása a szőrı felszínén: dn dt i c V& η i f = λi λ i Megoldás: integráló tag bevezetésével egyenletei N i c i : aktivitáskoncentráció a levegıben η f : szőrési hatásfok V& : pumpasebesség [m3 /s] dn c * V& i i ( + λi N i ) * exp( λit) = * exp( λit) dt λ i 175
Mintavétel és mérés számítási egyenletei Integrálás, peremfeltétel: ha t=0, N=0 t t c ( ) i * V& d N = i * exp( λit dt * exp( λit) dt λ 0 i 0 N i = c * V& i * [1 exp( λ t )] i λ i Pillanatnyi vagy átlagos koncentráció számításához c i változását vagy állandóságát kell feltételezni. 176
Korai riasztás AMS-0 a gammadetektor válasza Egy mért gamma-csúcs intenzitásának függése a szőrın felhalmozódó radioaktivitástól: (I m = mért intenzitás [cps]) I m t ηγ * fγ = * t LIVE TRUE 0 C * V*(1 e λ λt t ) dt * t LIVE TRUE η γ : az adott gammavonalra vonatkozó hatásfok, f γ : gammagyakoriság, t LIVE : élıidı, t TRUE : valódi mérési idı, λ: bomlási állandó, V. : térfogatáram. Az integrálás elvégzése után C [Bq/m 3 ], a mintavételi ciklus alatt fennálló átlagos aktivitáskoncentráció kifejezhetı, V: teljes mintázott térfogat C Im = η * γ f γ 1 * V λ * t * 1 e 1 λ * t TRUE λ* t TRUE TRUE 177
KORAI RIASZTÁS AMS-0 aeroszol szőrıjére helyezett PIPS detektor válasza Rn-leányelemekre (alfa-béta spektrum) 178
KORAI RIASZTÁS AMS-0 aeroszol szőrıjére helyezett PIPS detektor válasza 0 Rn-leányelemekre (alfa-béta spektrum) 179
Levegımonitorozás AMS 0-vel mérés és kiértékelés Gamma- és alfa/béta-spektrum felvétele 180
Levegımonitorozás AMS 0-vel mérés és kiértékelés Folyamatos mérési ciklus HP Ge detektor 181
Levegımonitorozás AMS 0-vel Radon EEC mérési eredmények 18