Inhoudsopgave 0.1
0.2
0.3 0.4 0.5
Ioniserende straling . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.1.1 Ioniserende elektromagnetische straling . 0.1.2 Straling van radioactieve Deeltjes . . . . . 0.1.3 Tijdsconstante en halveringstijd. . . . . . Absorptie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.2.1 De absorptiewet . . . . . . . . . . . . . . 0.2.2 Absorptie van elektromagnetische straling 0.2.3 Absorptie van straling van deeltjes . . . . Biologische effecten van straling . . . . . . . . . . Straling meten : instrumenten . . . . . . . . . . . Straling meten : dosimetrie . . . . . . . . . . . .
1
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
1 2 3 7 9 9 11 12 13 13 14
Hoofdstuk 1
Biologische effecten van ioniserende en niet-ioniserende straling Onder ioniserende straling brengen we alle soorten straling voor die in de materie, waarop ze invalt, ionisatie voor gevolg heeft. De kinetische energie van de invallende deeltjes moet hiervoor groter zijn dan enkele elektronvolt. Voor elektromagnetische straling betekent dit dat de frequentie groter moet zijn dan 1015 Hz. UV-licht, X- en gammastralen hebben een ioniserend effect. Verder is straling door hoog energetische alfadeeltjes, elektronen, positronen, neutronen en protonen radioactief. Elektromagenetische straling met golflengten λ groter dan 100 nm is niet-ioniserende straling. Dit gebied beslaat de radiogolven (0,5 mm ¡ λ ¡ 1000 m), het infrarode straling (0,5 µm ¡ λ ¡ 0,5 mm) , het zichtbare spectrum (380 nm ¡ λ ¡ 760 nm) en ultraviolet licht (100 nm ¡ λ ¡ 380 nm) . De elektromagnetische energie wordt gedragen door een golf. Een basisprincipe uit de kwantummechanica is de golf-deeltjes dualiteit : een deeltje kan beschreven worden door een golf en met een golf kunnen we deeltjes verbinden. Uit de ’golf’ van een deeltje kunnen we de waarschijnlijkheid berekenen om een deeltje in een bepaald gebied te vinden. De deeltjes die we verbinden met elektromagnetische golven noemen we fotonen. Fotonen hebben een rustmassa nul, ze bestaan slechts als ze bewegen en hebben een 2
snelheid gelijk aan de lichtsnelheid, c (c = 3 × 108 m/s). De energie van een foton wordt gegeven door E = pc, p is de hoeveelheid beweging van het foton. Planck legde een verband tussen energieveranderingen E in atomen en moleculen en de elektromagnetische straling die ermee verbonden −34 Js), f de is : E = hf = hc λ . h is de constante van Planck (h = 6,63 × 10 frequentie met f = λc .
1.1 1.1.1
Niet-ioniserende straling Radiogolven, infrarode straling, zichtbaar licht
Indringdiepte van infrarode straling en zichtbaar licht is zeer gering. Uitzondering hierop : in een transparant medium (oog) kan zichtbaar licht diep doordringen. Geen schadelijke effecten, tenzij bij zeer groot vermogen. Infrarode straling kennen we als warmtestraling, bij hoog vermogen kan verbranding van de huid optreden, of kan de elasticiteit hoornvlies verminderen. Essentieel zijn deze processen een gevolg van de verdamping van water. Visie wordt gerealiseerd door staafjes en kegeltjes op het netvlies. De staafjes bevatten rhodospin, een prote¨ıne dat een absorptiepiek van elektromagnetische energie bij 500 nm heeft. De kegeltjes bevatten drie lichtgevoelige pigmenten met absorptiepieken bij respectievelijk 570, 535 en 445 nm. Hierdoor kunnen we kleuren waarnemen.
1.1.2
UV-stralen
UV-stralen ontstaan door overgangen van elektronen in de buitenste schillen van een atoom van een hoger naar een lager energieniveau. Deze energie wordt gedragen door deeltjes. Hierbij komen fotonen vrij met een energie ∆E = hf , waarin ∆E het energieverschil tussen beide energieniveaus is. De zon is een belangrijke bron van UV-licht. Verder kan UV-licht gegenereerd worden met lampen, waaronder lasers, of bij verbranding bij zeer hoge temperatuur (T > 8000 K), zoals bij lasapparaten. UV-stralen worden volgens golflengte ingedeeld in drie groepen. Wat het 3
Tabel 1.1: Indeling van het ultraviolet licht 100 nm - 280 nm 280 nm - 320 nm 320 nm - 400 nm
UV-C UV-B UV-A
zonlicht betreft bereikt enkel de UV-A-straling de aarde. Praktisch alle straling in het UV-B-gebied en alle straling in het UV-C gebied wordt geabsorbeerd of weerkaatst op de ozonlaag. Het is juist deze straling die gevaarlijk is, maar omdat we er weinig mee geconfronteerd worden, zijn er geen uitgebreide gegevens over biologische schade beschikbaar. UV-A kan thermische verbranding van de huid veroorzaken en het voorkomen van maligne melanomen bevorderen.
1.2 1.2.1
Ioniserende straling Ioniserende elektromagnetische straling
X-stralen We het ontstaan van X-stralen reeds besproken. Het continue gedeelte van het spectrum is een gevolg van remstraling, terwijl de discrete pieken, bij hogere spanningen in een X-stralenbuis, ontstaan door transities van elektronen van een L-schil naar een vacante plaats in een K-schil, of een sprong van een elektron van een M-schil naar K- of L-schil. Het golflengtegebied is 10−3 tot 100 nm.
Gammastralen Gammastralen ontstaan bij radioactief verval, wanneer kernen van een ge¨exciteerde toestand (isomeer) naar een lagere energietoestand terugvallen. Het is elektromagnetische straling met zeer korte golflengte, kleiner dan 1 pm.
4
Een foton met die golflengte wordt een gammadeeltje genoemde. Een gammadeeltje heeft een energie groter dan 1 MeV. De algemene vorm van dit verval wordt geschreven als : A ∗ ZX
−→A Z X +γ
(1.1)
Ge¨exciteerde kernen ontstaan na radioactief alfa- of b`etaverval, die we in volgende paragraaf bespreken.
1.2.2
Straling van radioactieve Deeltjes
Alfadeeltjes Alfadeeltjes zijn 42 He-kernen, en hebben dus een lading 2e en een massa 4mu . Deze massa komt overeen met een energie van 3,726 GeV. Alfadeeltjes zijn zware deeltjes. Bij radioactief alfaverval worden deze deeltjes gevormd. De algemene vorm van dit verval is A ZX
4 −→A−4 Z−2 Y +2 He
(1.2)
Het isotoop A Z X noemen we de moederkern, terwijl noemd wordt. Enkele voorbeelden van alfaverval zijn 238 92 U 226 88 Ra 231 91 Pa
→ → →
A−4 Z−2 Y
de dochter ge-
234 4 90 Th +2 He 222 4 86 Rn +2 He 227 4 89 Ac +2 He
Bij spontaan verval is de massa van het alfadeeltje en de dochterkern kleiner dan de massa van de moederkern. Het verschil in massa bepaalt de desintegratie energie Q. Als we de massa’s m uitdrukken in de atomaire massa´e´enheid, wordt Q gegeven door : Q = (mX − mY − mα ) × 931,5
MeV mu
De Q-waarde voor het verval van Protactinium (Pa) vinden we, daar mPa =231,03635 mu , mAc =227,02781 mu en mα =4,00260 mu : Q = 0,00594 × 931,5 MeV = 5, 53MeV 5
(1.3)
Deze vrijgekomen energie manifesteerd zich als de totale kinetische energie van het alfadeeltje en de dochterkern. Uit de wet van behoud van hoeveelheid beweging volgt dat deze energie bijna geheel naar het alfadeeltje gaat. Als we aannemen dat de hoeveelheid beweging van de moederkern nul is, geldt, in de klassieke benadering mY vY + mα vα = 0 1 1 mY vY2 + mα vα2 = Q 2 2 waaruit 1 Q mα vα2 = mα = 5, 4 MeV 2 1+ m Y Bij alfaverval heeft de energie van het alfadeeltje een welbepaalde waarde. Een bepaald staal van een radioactieve stof zendt een groot aantal alfadeeltjes uit. omwille van de bewegingen van de moederkern is de statistische verdeling van het aantal alfadeeltjes scherp gepiekt rond een welbepaalde energiewaarde.
Elektronen en positronen Positronen zijn deeltjes met dezelfde massa als een elektron, maar met een lading +e. Als een positron interageert met een elektron, verdwijnen beide deeltjes in de vorm van twee gammadeeltjes. Hierbij wordt materie omgezet in elektromagnetische energie. Dit proces noemen we paarannihilatie. Radioactief verval waarbij elektronen of positronen vrijkomen uit de kern wordt b`etaverval genoemd. De algemene vorm van de reactie is A ZX
− −→A Z+1 Y + e + ν
(1.4)
A ZX
+ −→A Z−1 Y + e + ν
(1.5)
Y noemen we weer de dochterkern. Uit experimenten blijkt dat bij b`etaverval niet enkel een elektron (of positron) vrijkomt, maar ook een ander deeltje : een antineutrino (ν) (bij elektronen) of een neutrino (ν) (bij positronen). Dit werd duidelijk omdat als we enkel Y en het elektron (positron) als reactieproducten zouden beschouwen, niet meer voldaan was aan de wet van hoeveelheid beweging. De vrijgekomen energie Q = (mX − mY )c2 wordt 6
nu verdeeld over de kinetische energie van de dochterkern, het elektron (positron) en het antineutrino (neutrino). Het energiespectrum van de elektronen, uitgezonden door een radioactief staal is daarom continu, met als grootste waarde Q. Enkele voorbeelden van b`etaverval zijn : 11 6 C 13 7 N 14 6 C 32 15 P
→ → → →
11 5 B 13 6 C 14 7 C 32 16 S
+ e+ + ν + e+ + ν + e− + ν + e− + ν
Elektronvangst is een reactie waarbij een elektron opgenomen wordt door een kern : A − A (1.6) Z X + e −→Z−1 Y + ν Een neutrino of antineutrino is een deeltje dat geen of een verwaarloosbare rustmassa heeft. Het heeft ook geen lading. Daarom wordt het niet verstrooid of afgeremd door elektromagnetische interactie : een neutrino kan afstanden, vergelijkbaar met de straal van de aarde, afleggen voor het in interactie treedt en dus observeerbaar wordt.
Neutronen en protonen Neutronen en protonen zijn de bouwstenen van de atoomkernen. Neutronen ontstaan bij kernsplitsing. Een reactie om neutronen te genereren in deeltjesversnellers is : 7 2 8 (1.7) 3 Li +1 H −→4 Be + n Neutronen dragen geen lading, en ondervinden dus geen elektromagnetische interactie. Daardoor kunnen ze diep doordringen in materie. Om de effecten te bespreken onderscheiden we hoog energetische neutronen, met een energie groter dan 1 MeV en neutronen met lage energie. In kernreactoren moeten de neutronen afgeschermd worden. Dit kan het best door ze botsingen te laten ondergaan met deeltjes die nagenoeg dezelfde massa hebben, en waarmee ze geen reacties aangaan. De substantie die gebruikt wordt om de neutronen af te remmen en te stoppen noemen we een moderator. De meest gebruikte moderatoren zijn : D2 O, H2 O en grafiet. Bij de eerst twee absorberen de Dof H-atomen de energie van het neutron. Als het neutron het grootste deel 7
van zijn energie verloren heeft, kan het gevangen worden door een kern. Dit noemt men neutron vangst : A ZX
+ n −→A+1 X ∗ −→A+1 X +γ Z Z
(1.8)
De ge¨exciteerde kern vervalt snel via gammaverval. Een vrij neutron is geen stabiel deeltje het vervalt volgens de reactie n → p+ + e− + ν met een halveringstijd van 13 minuten. Bundels van protonen of 11 H-kernen zijn bij hoge energie (MeV) ook ioniserende straling. Bundels van protonen worden gebruikt in de behandeling van bepaalde tumoren. Botsingen van bundels van protonen, met een energie tot 7 TeV, worden in de LHC (Large Hadron Collider) van CERN aangewend voor de studie van de samenstelling van deze deeltjes. Een proton is een stabiel deeltje.
Radioactieve reeksen. Natuurlijke radioactiviteit verloopt in stappen. Zo vervalt volgens onderstaand schema 232
Th →
228
Ra
alfa
Ra →
228
Ac
b`eta
Ac →
228
Th
b`eta
Th →
224
Ra
alfa
Th →
224
Ra
alfa
Ra →
220
Rn
alfa
Rn →
216
Po
alfa
Po →
212
Pb
alfa
Pb →
212
Bi
b`eta
Bi →
212
Po
b`eta
Po →
208
Pb
alfa
232 232 228 228 224 220
216 212
212 212
232 Th
naar lood
Zo een opeenvolging van reacties noemen we een radioactieve reeks. 8
1.2.3
Tijdsconstante en halveringstijd.
De radioactiviteit van een stof hangt af van de tijd. Het aantal radioactieve kernen daalt exponentieel. Als op een bepaald ogenblik, dat we t = 0 kiezen het aantal radioactieve kernen N0 is, zal het aantal radioactieve kernen op een tijdstip t gelijk zijn aan N (t) = N0 e−λt
(1.9)
α is de desintegratieconstante of radioactieve constante. Na een tijd τ = λ1 , is het aantal radioactieve kernen gedaald tot 1e ≈ 37 % van het oorspronkelijke aantal. Als op een willekeurig ogenblik t het aantal radioactieve kernen gelijk is aan N (t), dan is op het ogenblik t + τ het aantal radioactieve kernen gelijk aan N (t + τ ) = Ne(t) ≈ 0, 37 N (t). Bij radioactief verval wordt de term halveringstijd meer gebruikt. Dit is het N6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......... N (t) ..... ... .. ... .... ... .. .... ... .... .. ..... ... ... ..... ... ..... ... ...... ... ........ ... ......... ... ......... ... ............ ... ............... ... .................. .. .............................. ... ....................................... 0 ... ..
N0
.
t
-
t
Figuur 1.1: Verloop van het aantal radioactieve kernen als functie van de tijd. Exponentieel verval.
tijdsinterval waarover het aantal radioactieve kernen tot de helft gereduceerd is. −λ(t+T 1 )
N0 e
2
=
9
1 N0 e−λt 2
−λT 1
e
2
T1
=
1 2
= τ ln 2
2
De halveringstijd kan vari¨eren van enkele fracties van een seconde, over enkele dagen tot meer dan een miljard jaar. 11 C vervalt door emissie van een positron in 20 minuten, 222 Rn heeft een halveringstijd van 8,82 dagen, terwijl 238 U 232 Th halveringstijden gelijk aan respectievelijk 4,5×109 en 1,41×1011 jaar hebben. Deze laatste tijden wijn vergelijkbaar met de leeftijd van de aarde, wat wil zeggen dat slechts een beperkt gedeelte van het oorspronkelijke aantal radioactieve kernen vervallen is. Kort levende isotopen zijn uit de natuur verdwenen, en kunnen kunstmatig aangemaakt worden.
1.3 1.3.1
Absorptie De absorptiewet
Als straling invalt op een voorwerp, zal de energie geleidelijk opgenomen worden door de materie : de intensiteit neemt daardoor exponentieel af, als functie van de afstand. De verandering van de intensiteit is evenredig met de oorspronkelijke waarde en evenredig met de afstand waarover deze verandering beschouwd wordt. Als dI de verandering is van de intensiteit tussen de vlakken met plaats x en x + dx, dan is dI ∝ I(x)
(1.10)
dI ∝ dx
(1.11)
wat we samenvatten in : dI = −µI(x)dx
(1.12)
α is een evenredigheidsfactor en het minteken volgt uit het feit dat de intensiteit afneemt door absorptie. De oplossing van vergelijking (12) is : I(x) = I0 e−µx
(1.13)
µ is de lineaire absorptieco¨effici¨ent. Bovenstaande uitdrukking is een vorm van de wet van Lambert-Beer 1 . Het omgekeerde van de absorptieco¨effici¨ent 1
Volgens de wet van Beer-Lambert is de indringdiepte D ∝ log II0
10
vacu¨ um
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
I0 -
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
-
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
0
medium .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
I(x)
x
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
-
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..
x+dx
-
x
Figuur 1.2:
Illustratie bij de afleiding van de absorptiewet. De straling heeft in vacu¨ um een intensiteit I0 en valt loodrecht in op een oppervlak. De verandering van de intensiteit tussen de oppervlakken op plaatsen x en x + dx is dI. De intensiteit wordt hier gevisualiseerd door het aantal pijlen
is de (gemiddelde) indringdiepte (mean penetration length) D. D=
1 µ
(1.14)
Soms gebruikt me ook de halveringslengte of halfwaarde laagdikte : D 1 = D. ln 2
(1.15)
2
Hoe groter de dichtheid van het medium dat de straling absorbeert, hoe minder diep de straling kan doordringen in dit medium, hoe groter de absorptieco¨effi¨ent. In eerste benadering is de lineaire absorptieco¨effi¨ent µ evenredig met de dichtheid ρ. We zouden het argument van de exponenti¨ele functie van vergelijking (13) kunnen herschrijven als −µ ρx ρ
I(x) = I0 e µ ρ
(1.16)
= µm wordt de massa-absorptieco¨effi¨ent genoemd. Stellen we ρx = xm dan wordt (16) : I(x) = I0 e−µm xm (1.17)
11
Tabel 1.2: Massa-absorptieco¨effi¨ent voor verschillende fotonenergie¨en. Energie (keV) 10 50 lucht 0,466 0,0384 spierweefsel 0,496 0,00409 Water 0,489 0,00394 Ca 8,98 0,0764 Pb 1,33 0,78
µ ρ
= µm in kg/m2 van enkele materialen
100 0,00231 0,00252 0,0252 0,0111 0,540
500 0,00296 0,00327 0,00330 0,00304 0,0160
1000 0,00280 0,00308 0,00311 0,00279 0,00708
5000 0,00173 0,00188 0,00190 0,00200 0,00424
Het voordeel van (17) is dat µm enkel afhangt van de energie van de invallende straling. De halveringslengte als functie van µm is : D1 = 2
1.3.2
ln 2 0, 693 = ρµm ρµm
(1.18)
Absorptie van elektromagnetische straling
Monochromatische straling : de materie waarop straling invalt kan slechts beperkte energiewaarden opnemen. Kunnen de atomen of moleculen van het midden niet ge¨exciteerd worden door de frequentie van de straling, dan zal de straling door het midden gaan. Dit midden is transparant voor deze straling. Indien de atomen of moleculen wel aangeslagen kunnen worden door de straling, dan zal de intensiteit exponentieel afnemen. Absorptiegraad is afhankelijk van de golflengte, bepaalde golflengten worden beter geabsorbeerd. (zie X-stralen, karakteristieke straling, maar nu wordt een foton door een atoom geabsorbeerd en wordt een elektron uit de K- of L-schil losgeslagen) De fysische processen waardoor de fotonen hun energie aan het medium doorgeven zijn : coherente of klassieke verstrooiing, Compton verstrooiing, het fotoelektrisch effect en paarproductie
12
10000 0,00144 0,00154 0,00155 0,00201 0,00484
Coherente verstrooiing De fotonen worden door het elektrisch veld van de elektronenwolk afgebogen. Er is enkel een verandering van de bewegingsrichting van de fotonen. Treedt vooral op bij lage fotonenergie.
Compton verstrooiing Een foton botst met een vrij of zwak gebonden elektron en geeft een deel van zijn energie aan dit elektron, dat verder door het medium beweegt. Het foton heeft na de botsing dus een lagere energie en een grotere golflengte.
Het fotoelektrisch effect Een foton botst met een gebonden elektron en geeft al zijn energie aan dit elektron. De energie van het foton dient deels om de ionisatie te realiseren (W ), deels om kinetische energie aan het elektron te leveren. hf = W + Ek
(1.19)
Paarproductie Bij hoge foton energie, groter dan 1,02 MeV, kan door interactie met een kern, zo een foton transformeren in een elektron en een positron. Dit is het omgekeerde proces van paarannihilatie.
1.3.3
Absorptie van straling van deeltjes
Voor deeltjesstraling gebruikt men meestal de term bereik R. Dit is de afstand die het deeltje zal afleggen in het medium tot zijn energie gereduceerd is tot de thermische energie van translatie ( 23 kB T =, dit is 0,03 eV bij lichaamstemperatuur). De belangrijkste interacties tussen een alfadeeltje en de materie waarin het binnendringt, zijn de botsingen met elektronen. Dit 13
komt vooral doordat de kernen slechts een heel klein deel van het volume uitmaken. Bij de botsing van een alfadeeltje met een elektron, zal de bewegingsrichting van het alfadeeltje nauwelijks veranderen, omdat een alfadeeltje een veel grotere massa heeft dan een elektron. Het elektron wordt wel van de kern weggerukt door de botsing, zodat we ionisatie krijgen. Het alfadeeltje zal dus een recht spoor van ionisatie achterlaten, tot zijn energie herleid is tot de normale thermische energie. Dan binden twee elektronen zich aan het alfdeeltje om een 4 He-atoom te vormen. De energie E van alfastralen, voor ze de materie binnenkomen, is scherp gedefineerd, tenminste als deze alfastralen van een wel bepaalde bron komen. (zie alfaverval vergelijking (2)) Voor een alfadeeltje is het bereik −3 E
R = 4, 15 × 10
3 2
ρ
(1.20)
ρ is de dichtheid van het medium, uitgedrukt in kg/m3 ; E de energie uitgedrukt in MeV en R wordt uitgedrukt in m. Voor lucht en straling met een energie van 5 MeV is de indringdiepte 3,5 cm, voor water en zacht weefsel 10 tot 100 µm. Alfastraling dringt dus enkel door tot de opperhuid. De energie van b`etastraling heeft een continu spectrum (zie b`etaverval). Afhankelijk van de energie en de dichtheid van het medium kunnen elektronen indringen tot een diepte van een tiental centimeters tot enkele micrometers. Voor lucht varieert het bereik van 10 cm tot enkele meters, in water en weefsel is het bereik slechts enkele millimeter.
1.4
Biologische effecten van straling
De biologische effecten van straling vinden hun oorsprong in het primaire fysische effect : ionisatie en excitatie van atomen. Omdat DNA-moleculen groot zijn, kunnen ze relatief gemakkelijk getroffen worden door radioactieve deeltjes. De belangrijkste primaire effecten zijn daarom ionisatie van DNA, wat directe biologische schade voor gevolg heeft, en ionisatie van omringende moleculen, die daarna interageren met het DNA, wat een indirect biologisch effect voor gevolg heeft. Na de ionisatie worden nieuwe bindingen gevormd, wat leidt tot macromoleculaire veranderingen. Deze verandering kunnen • spontaan verdwijnen, waardoor de normale biochemische samenstel14
ling hersteld wordt. • leiden tot genetische veranderingen • leiden tot veranderingen in de structuur van de cellen. Deze eerste fysische en biochemische reacties verlopen in een heel kort tijdsinterval, tot maximaal enkele microseconden. De genetische veranderingen en de veranderingen in de structuur van cellen kunnen aanleiding geven tot mutaties en veranderingen in het metabolisme. Dit gestoord metabolisme resulteert in tumoren en het afsterven van cellen. Dit biologische proces loopt over een tijdsduur van enkele seconden tot tientallen jaren. Uiteindelijk treden uitgestelde somatische effecten of acute bestralingsziekten op. De effecten op de evolutie zijn nog niet goed gekend.
1.5
Straling meten : instrumenten
Geiger-Muller teller. Scintilatoren.
1.6
Straling meten : dosimetrie
Omdat de biologische effecten van bestraling met zeer grote vertraging optreden, is het heel belangrijk om tijdig vast te stellen of er een te sterke bestraling is opgetreden. We moeten de sterkte van de bestraling kunnen meten en kritische grenzen vastleggen, waarboven we de straling als gevaarlijk beschouwen. Daartoe moeten we enkele fysische en biofysische grootheden defini¨eren. De hoeveelheid energie die door het weefsel wordt geabsorbeerd, bepaalt de fysische effecten. De hoeveelheid energie per massa is daarom een belangrijke grootheid. Dit wordt de geabsorbeerde energiedosis genoemd, voorgesteld met het symbool D en uitgedrukt in J/kg. Deze eenheid wordt de gray, 1 Gy, genoemd : J 1 Gy = 1 (1.21) kg 15
Een oude eenheid voor geabsorbeerde energiedosis is de rad : 1 J/kg = 100 rad. Een ogenblikkelijke blootstelling aan een geabsorbeerde dosis van 0,5 Gy kan bij sommige personen aanleiding geven tot misselijkheid en diarree. Willen we de geabsorbeerde energie meten, dan moeten we die verbinden met een gemakkelijk meetbare grootheid. De geabsorbeerde energie veroorzaakt ionisaties. Een hoeveelheid lading is gemakkelijk meetbaar. Daarom wordt de grootheid exposie X ingevoerd. Dit is de hoeveelheid lading per massa, positieve of negatieve, die in droge lucht opgewekt wordt : X=
dq dm
(1.22)
De eenheid is 1 C . Merk op dat de exposie gemeten wordt in droge lucht. kg De oude eenheid van exposie is de R¨ontgen : 1 R = 2,58×10−4 C/kg. De geabsorbeerde dosis is evenredig met het aantal ionisaties, of nog het aantal vrije elektronen in het bestraalde materiaal. Een exposie van 1 C/kg komt overeen met een geabsorbeerde dosis van 34 Gy. Dit vinden we als volgt. Een ionisatie van een molecule in lucht vraagt een gemiddelde energie van 34 eV. D overeenkomend met 1 C/kg is dan : D=1
C 1 ion eV J × × 34 × 1, 6 × 10−19 = 34 Gy (1.23) −19 kg 1, 6 × 10 C ion eV
Zo kunnen we voor verschillende stoffen de geabsorbeerde dosis verbinden met de exposie. Het biologisch effect van de geabsorbeerde dosis straling wordt mede bepaald door de aard van de straling. Voor elk type straling is met radiobiologische experimenten de relatieve biologische effectiviteit (RBE) of de stralingswegingsfactor WR bepaald. Deze wegingsfactoren zijn vastgelegd door de ICRP (International Commission for Radiological Protection). Vroeger werd deze factor ook de stralingskwaliteitsfactor (Q-factor) genoemd. De Q-factor is de verhouding van de geabsorbeerde dosis door 250 kV X-stralen tot de geabsorbeerde dosis van een bepaald stralingstype met hetzelfde biologisch effect. Een gegeven dosis α-straling veroorzaakt dus een 20 maal grotere biologische schade dan eenzelfde dosis b`etastraling. Om de bescherming tegen straling te regelen wordt het begrip equivalente dosis, H, gebruikt. De eenheid van equivalente dosis is een Sievert, 1Sv. De equivalente dosis in
16
Tabel 1.3: Relatieve biologische effectiviteit WR van verschillende stralingen. Aard van de straling WR X, γ, β 1 Thermische neutronen (E ∝ kb T ) 5 Neutronen (E ≤ 0,1 MeV) 10 Neutronen (0,1 MeV ≤ E ≤ 2 MeV) 20 Neutronen (2 MeV ≤ E ≤ 20 MeV) 5 p 5 α, zware kernen 20 Sv, in een weefsel of orgaan T wordt door de ICRP gedefinieerd als X HT = WR DT,R (1.24) R
Hierin is DT,R de geabsorbeerde dosis van straling van het type R door het orgaan T , uitgedrukt in Gy. 1 mGy straling van neutronen met een energie van 5 MeV, levert een equivalente dosis van 5 mSv. De duur van de bestraling speelt ook een rol : het effect van een korte grote dosis bestraling kan fataler zijn dan een gelijke dosis, verspreid over een langere tijdsduur. In dit laatste geval is het mogelijk dat het organisme zich (gedeeltelijk) hersteld. We spreken dan van het dosistempo. Een voorbeeld : in de nabijheid van een bepaald cyclotron is meet men 5 µGy/h γ-straling, 2 µGy/h thermische neutronen en 0,5 µGy/h neutronen met een energie van 1 MeV. Dan is de equivalente dosis H = Wγ Dγ + WTherm. neutr. DTherm. neutr. + W2MeV neutr. D2MeV neutr. H = (1 × 5 + 5 × 2 + 20 × 0, 5) µSv/h = 25 µSv/h Verschillende organen hebben een verschillende gevoeligheid voor straling. Dit geven we weer door een weefselwegingsfactor wI . Stralingsgevoelige organen hebben een grotere wegingsfactor dan organen of weefsels die minder gevoelig zijn voor straling. Merk op dat de som van alle weefselwegingsfactoren gelijk is aan 1. De effectieve dosis bekomen we door de equivalente dosis voor elk orgaan te vermenigvuldigen met de overeenkomstige weefselwegingsfactor en te sommeren over alle organen : X HE = wI HI (1.25) I
17
Tabel 1.4: Weefselwegingsfactoren wI van verschillende organen (ICRP 60). Orgaan wI geslachtsklieren 0,20 rood beenmerg 0,12 colon 0,12 long 0,12 maag 0,12 blaas 0,05 borsten 0,05 lever 0,05 oesofagus 0,05 schildklier 0,05 huid 0,01 botoppervlak 0,01 rest lichaam 0,05 Voor deze effectieve dosis zijn door internationale organisaties voor maximale bestralinggrenswaarden bepaald. Zo is de maximale dosis voor de gewone bevolking 1 mSv en voor personeel dat met stralingsapparatuur omgaat een gemiddelde over vijf jaar van 20 mSv, met een maximum van 50 mSv voor een jaar. Er zijn ook maximumwaarden voor elk orgaan vastgelegd.
18
