Educational & Didactic Communication 2013

Educational & Didactic Communication 2013 Vol.2 – Radiační kultura a její kurikulární proces Monolingual Czech Version  DIDAKTIS 2014. First edition. No part of the present monograph may be reproduced and distributed in any way and in any form without express permission of the author and of the Publishing House Didaktis

The publisher and author will appreciate possible comments concerning the work. They may be forwarded to the addresses of the publisher and author presented below.

The publisher: Publishing House DIDAKTIS Hýrošova 4, 811 04 Bratislava, Slovakia www.didaktis.sk

Author: Ing. Jan Singer, CSc. University of South Bohemia, České Budějovice, Czech Republic Curriculum Studies Research Group, Bratislava, Slovakia e-mail: [email protected]

Reviewers: Mgr. Petr Procházka, Czech Republic Assoc.prof.RNDr.Premysl Zaskodny, Ph.D., Czech Republic

On line presentation: http://csrggroup.org, www.didaktis.sk ISBN 978-80-8166-000-9

Abstrakt V této monografii je dán důraz na teoretickou výuku jaderné fyziky, radiační fyziky, radiační ochrany a dozimetrie vycházejících z klasických i moderních přírodních věd. Jsou zde popsány tyto obory jako soustava vědních disciplín případně subdisciplín při působení na lidské subjekty (např. osobní, vnější a klinická dozimetrie). Objekty zájmu teoretické dozimetrie jsou zákonitosti interakce záření s hmotou, veličiny a jednotky těchto zákonitostí, výrobní (zdroje ionizujícího záření) a měřící zařízení. Při sestavování lineárního kurikulárního procesu osobní dozimetrie není moţno pominout experimentální výuku zejména v laboratořích. V příspěvku jsou zobrazeny: dozimetrická laboratoř Katedry laboratorních metod a informačních systémů a některé důleţité přístroje v této laboratoři (jako např. termoluminiscenční detektor a jeho měřič, osobní elektronický dozimetr a jeho snímač, gama spektrometry a další). Dále jsou uvedeny příklady úloh, kterými se studenti na Zdravotně sociální fakultě zabývají, vč. statistického zpracování výsledků. Studenti pak aplikují pomocí dozimetrů měření v praxi. V závěru je shrnut celkový lineární kurikulární proces radiační kultury sestávající na začátku z větve teoretické i experimentální a v neposlední řadě je diskutována záměna části procesu „odborná zpráva“ za „laboratorní manuál“.

Klíčová slova aktivita, biologie, chemie, kurikulární proces, detektor, dozimetr, dozimetrie, odborná zpráva, ionizující záření, myšlení, fyzika, veličiny, jednotky, referenční člověk, radiační kultura

2

OBSAH 1. Úvod ....................................................................................................................................... 4 2.Kurikulární proces ................................................................................................................... 5 2.1. Jaderná fyzika .................................................................................................................. 6 2.2. Radiační fyzika .............................................................................................................. 23 2.3. Radiační ochrana ........................................................................................................... 31 2.4 Obory dozimetrie............................................................................................................ 62 3. Kurikulární proces formou experimentální výuky…………………………………………80 4. Aplikace ............................................................................................................................... 87 5. Závěr kurikulárního procesu ................................................................................................ 97 6. Literatura: .......................................................................................................................... 100

3

1. ÚVOD Proti úzkému významu pojmu kultury se ohradil uţ Goethe. V pojmu kultury prý nesmí chybět „ani oblečení a jídelní zvyky, dějiny ani filosofie, umění ani věda, dětské hry ani přísloví, hospodářství ani literatura, politika ani soukromí, ba ani poukaz na škody vznikající odlesněním hor“ (Komárek 1997). Kultura tedy zahrnuje všechno to, s čím se člověk nerodí, ale   

co se musí naučit, aby se stal platným členem své společnosti; co sám většinou nevytváří, nýbrţ přejímá od starších; co je spíše kolektivním a často anonymním, nastřádaným dílem mnoha generací;

Antropolog Cliford Geertz (Geertz1973) charakterizuje kulturu jako „síť významů“, v nichţ a s jejichţ pomocí člověk ţije, které přijímá od své společnosti a které naopak předává svým dětem. Podle Gerta Hofstede (Hofstede 2005) je to „kolektivní software“ společnosti. Jako příklad radiační kultury lze uvést kulturu bezpečnosti provozu jaderných reaktorů (SUJB 2013). Ta sehrává při tvorbě ukazatele kolektivní efektivní dávky překvapivě značnou úlohu. Tato úloha je dána tím, ţe kultura bezpečnosti je hodnocena přes další ukazatele a těmi jsou počty rychlých odstavení reaktoru a počty mimořádných a neobvyklých událostí. Jestliţe úloha mimořádných a neobvyklých událostí logicky jasně ovlivňuje tvorbu ozáření všech zúčastněných na události a tím i hodnotu ukazatele kolektivní efektivní dávky, pak rychlá odstavení reaktoru vţdy představují změnu předávání energie z palivových proutků do vody chladiva primárního okruhu, a tyto změny vedou ke změně výkonu reaktoru. Kaţdá výkonová změna vyvolaná zapůsobením systému rychlého odstavení reaktoru způsobí skokové uvolňování korozních produktů a usazenin z palivových tyčí a z jiných vnitřních povrchů aktivní zóny, které se následně usazují zejména v parních generátorech, hlavních cirkulačních čerpadlech a jiných komponentách primárního okruhu a protoţe mají v sobě zabudovány naaktivované a tudíţ radioaktivní korozní produkty a současně i štěpné látky, jsou přídavnými zdroji ionizujícího záření ke stávajícím. Omezení takových přechodových stavů tak má přímý vliv na zajištění radiační ochrany. Fukušimská událost nepřinesla pouze idylku do mezilidských vztahů; mimo jiné nepříjemně ovlivnila i japonskou rozvodovost. Z celostátního hlediska nejde o nějak zvlášť ohromující čísla, ale i tak jde, myslím, o jev hodný pozornosti, protoţe se i za tak krátkou dobu stačilo vytvořit i slovo, které vešlo do japonské mluvy - radiační rozvod. Čím se radiační rozvod liší od toho klasického? Tím, ţe má ve všech případech prakticky stejný scénář, který si ukáţeme na skutečném příběhu jedné fukušimské rodiny: Devětadvacetiletá Sačiko těsně po zemětřesení a následné havárii utekla se svou tříletou dcerou Natsuki ke svým příbuzným ţijícím v prefektuře Točigi, která se nachází blíţe Tokiu. Manţel zůstal doma, protoţe nemohl opustit svou práci. Po šesti týdnech se Sačiko s dcerkou a s pocitem viny ke svému muţi do jakţtakţ stabilizovaných podmínek vrátila. Po krátké době, kdy se začaly objevovat varovné zprávy o zvýšené radiaci v místních potravinách, začala Sačiko o správnosti svého kroku pochybovat. Jednoho dne potkali Sačiko a její manţel na ulici manţelova nadřízeného. Oba muţi si mezi řečí začali utahovat z podobných ţen, které jsou podle nich z radioaktivity přemrštěně vystrašeny. Sačiko se začala ptát sama sebe, zda je ţivot s muţem, který bere ohroţení vlastního dítěte na lehkou váhu, tím nejlepším řešením.

4

Jednoho dne začala Natsuki bez zjevné příčiny krvácet z nosu. Sačiko si vzpomněla, ţe kdysi slyšela,. ţe krvácení z nosu můţe mít vztah ke zvýšené radiaci. Svěřila se se svými obavami manţelovi, ten se však jejím starostem vysmál. Sačiko se bezprostředně poté sbalila a s Natsuki opět odjeli k příbuzným. V Točigi pak zanedlouho poté zaţádala o rozvod. Manţelství bylo v září rozvedeno a od té doby ţije Natsuki bez otce. V Japonsku totiţ nebývá běţné, aby rodič, kterému dítě nebylo svěřeno do péče, s ním po rozvodu komunikoval. Podobně skončila řada dalších manţelství, přičemţ nemuselo nutně jít o obyvatele bezprostředně ohroţené oblasti. Čas od času měření radioaktivity kdekoliv na severní polovině ostrova Honšu odhalí takzvaný hotspot - místo se zvýšenou radiací. Její zvýšení však nemusí být nutně vázáno na fukušimskou událost, protoţe průměrná úroveň přirozené radiace vycházející z hornin je v Japonsku velice nízká. Avšak nalezení hotspotu vţdy staví řadu rodin, které se v něm nacházejí, před otázku, zda zůstat či se odstěhovat. Se všemi existenciálními dopady.

2. KURIKULÁRNÍ PROCES Průběh kurikulárního procesu byl popsán v nejedné práci. Uvádí se co je objektem a subjektem tohoto procesu. Ve většině případech se jedná o vědecké, odborné, technické nebo umělecké, společenské aj. informace a účastníci tohoto procesu jsou např. vědci, technici umělci, pedagogové apod. V tomto článku budeme pracovat s odbornými informacemi, které budou formou tištěnou, elektronickou, audiovizuální aj. metodou předány v konečné fázi pedagogem studentům. Tyto informace procházejí řadou změn, úprav, doplňků v pořadí procesu s následujícími stupni, zde v nejjednodušší lineární formě zobrazené: měření→výsledky→hodnocení→odb. zpráva→učební text→mysl studenta→užití studentem

Tak jako první čtyři stupně jsou ukázkou kreativity odborného účastníka, poslední tři stupně jsou ukazatelem efektivity a kvality kurikulárního procesu. Nastupují sem noví účastníci. Jak v počátečních stupních se účastní procesu přístroje aj. subjekty měření (např. ozářený organizmus), dále vědci, technici, tak na konci nastupují do procesu zpracování informace pedagogičtí pracovníci a studenti. Takţe zde probíhá pravý kurikulární proces tj. didaktická komunikace, která tvoří „didaktický most mezi odbornými poznatky a jejich mentálními reprezentacemi v myslích edukantů (Brockmeyerová 2007)“. Je potřeba připomenout, ţe informace, které se v průběhu procesu mění jsou v obecnosti především charakteru personálního (např. historie vládnutí) nebo zdrojového (např. dobývání a zpracování rud) nebo mechanického (např. vynález a výroba parního stroje) nebo monitorovacího (např. sledování hvězd) apod. Z uvedených příkladů je zřejmá vyhraněnost informace (historie, chemie, strojírenství, astronomie). V lineárním kurikulárním procesu jsou první čtyři stupně měření→výsledky→hodnocení→odborná zpráva→

také součástí vědního oboru. V předešlých článcích (Singer 2009, Singer 2010, Singer 2011) jsou uvedeny tyto stupně v empirické, zejména experimentální podobě, jako výchozí pro další stupně kurikulárního procesu →učební text→mysl studenta→uţití studentem

5

V teoretických výzkumech řízených vědeckou metodou (posloupnosti procesů pouţívaných při vědeckém výzkumu) můţe nastat případ, ţe u tohoto lineárního řetězce místo prvních stupňů můţe být stupeň „myšlenky vědce“ a pak celý řetězec můţe vypadat takto myšlenky vědce→odborná zpráva→učební text→mysl studenta→uţití studentem Řetězec můţe nabývat tohoto tvaru zejména v případě kognitivní vědy „jakoţto mezioborové vědy studující mysl a procesy v ní procházející (Wikipedia 2013)“. Můţe se dotýkat i jaderné fyziky, radiační fyziky, radiační ochrany i dozimetrie vycházejících z následujících vědních oborů. → fyzika výzkum o hmotě → ↕→ chemie │ → dozimetrie → biologie Jak je zřejmé, dozimetrie jako mezioborová věda, vychází z fyziky, chemie, biologie a z jejich vědních disciplín jako jsou např. biofyzika biochemie elektronika fyzikální chemie atomová fyzika jaderná chemie apod. Samozřejmou součástí je i matematika, jakoţto „formální věda zabývající se kvalifikací a kvantifikací abstraktních entit a vyhledáváním zákonitostmi mezi nimi (Wikipedia 2013)“ V následujících podkapitolách jsou uvedeny příklady, jak výsledků vědy, tak učebních textů i praktických prezentací.

2.1. Jaderná fyzika 2.1.1. Elementární částice Původní představa, ţe základní stavební jednotkou je atom, musela být s poznáním vnitřní struktury atomu opuštěna a úlohu elementárních částic na jistou dobu převzaly elektron, proton a neutron. V kosmickém záření pak byly objeveny částice jako pozitron (antičástice elektronu), mezon µ a mezon pí. Od padesátých let, kdy byly uvedeny do provozu velké urychlovače částic, bylo pak objeveno mnoho dalších částic. Dnes je známo přibliţně sto různých částic a zhruba stejný počet antičástic. Název „elementární“ se pro částice udrţuje z víceméně historických důvodů.

6

Částice se dělí na dvě skupiny – leptony (z řečtiny: lehký) a hadrony (z řečtiny: velký, silný). Dělícím kritériem je typ interakce, které mezi částicemi mohou působit – mezi leptony působí interakce slabá, mezi hadrony interakce silná. Zhruba dvě stovky hadronů se dělí na mezony a baryony. Nejlehčí baryon je proton, o málo těţší je neutron. Tyto dva baryony se označují společným názvem nukleony, protoţe z nich jsou sloţena všechna atomová jádra. Baryony s hmotností větší neţ nukleony se nazývají hyperony. Některé uvedené částice nejsou nedělitelné, ale obsahují ještě menší částice tzv. kvarky. Kvarky se rozdělují na šest tzv. vůní (wikipedia 2013a). Symb ol d u s

c

b

t

vůně dolů (angl. down) nahoru (angl. up) podivný (angl. strange) půvabný (angl. charm) spodní (bottom), popř. krásný (angl. beauty) horní (top), popř. pravdivý (angl. truth)

Klidová hmotnost (MeV/c²)

Projekce Elektric. Podiv. AntiIzospinu Půvab Krása Pravda náboj . část. do 3 osy

3,5 - 6

-⅓

-½

0

0

0

0

1,5 - 3,3[

+⅔

+½

0

0

0

0

92,4 ± 1,5

-⅓

0

-1

0

0

0

1270 +70-110

+⅔

0

0

0

0

4200 +170-70

-⅓

0

0

0

-1

0

171300 ± 1100 +⅔ ±1200[2]

0

0

0

0

Elektrický náboj, izospin, podivnost, půvab, krása a pravda představují kvantová čísla kvarku.

7

Kvarky řadíme do generací (podobně jako leptony). První generaci tvoří kvarky u a d, druhou generaci tvoří kvarky s, c a třetí generaci tvoří kvarky b a t.    

Mezon K(0) je sloţen z kvarku d (down) a antikvarku (má podivnost -1) Mezon K(+) je sloţen z kvarku u (up) a antikvarku (má také podivnost -1) Mezon K(-) je sloţen z kvarku s (strange) a antikvarku (má podivnost +1) Mezonové rezonance K* mají stejné sloţení jako mezony K.



Mezon π(0) má sloţení Mezon π(+) obsahuje u a Mezon π(-) obsahuje d a Mezonové rezonance ρ mají stejné sloţení jako mezony π Proton p(+) a baryonové rezonance N(+) jsou sloţeny z kvarků u, u, d Neutron n(0) a baryonové rezonance N(0) jsou sloţeny z kvarků d, d, u Baryon Δ(++) obsahuje u, u, u Baryon Δ(+) obsahuje u, u, d Baryon Δ(0) obsahuje u, d, d Baryon Δ(-) obsahuje d, d, d Baryon Σ(+) obsahuje u, u, s Baryon Σ(0) a baryon Λ(0)obsahují u, d, s Baryon Σ(-) obsahuje d, d, s Baryon Ξ(0) obsahuje d, s, s Baryon Ξ(-) obsahuje u, s, s Baryon Ω(-) obsahuje s, s, s

              

8

2.1.2.Modely atomu (Singer 2013a) Thomsonův model Prvním významným průnikem do struktury atomu byl objev elektronu (byl objeven v r. 1895 J. J. Thomsonem při studiu elektrických výbojů v plynech). Elektrony mají záporný elektrický náboj a jsou více neţ 1000krát lehčí neţ elektricky neutrální atomy. V r. 1898 navrhl J. J. Thomson představu, podle níţ jsou atomy miniaturní homogenní koule kladně nabité hmoty, do níţ jsou vnořeny elektrony. Tento Thomsonův statický model atomu se nazýval téţ "pudinkový model", podle své podobnosti s anglickým pudinkem se zapečenými rozinkami. Rutherfordův planetární model Ernest. Rutheford (1871 - 1937), se svými spolupracovníky provedl v r. 1906 experiment s rozptylem částic alfa (o max. energii 7,7MeV, emitovaných přírodním radionuklidem 226Ra a jeho rozpadovými produkty) při jejich průchodu tenkou zlatou fólií (tloušťky cca 3.10-4mm, coţ odpovídá kolem 104 atomových vrstev). Podle Thomsonova modelu atomu se očekávalo, ţe většina částic alfa projde fólií buď přímo, nebo jen s malým rozptylem. Experiment však ukázal, ţe řada částic alfa se rozptýlila o velký úhel, některé byly dokonce odraţeny do opačného směru. Aby se těţké částice alfa (jsou více neţ 7000krát těţší neţ elektron) takto rozptýlily, musely na ně uvnitř atomů působit velké síly, coţ by nebylo moţné u Thomsonova modelu. Rutheford navrhl obraz atomu sloţeného z velice drobného jádra, v němţ je soustředěn kladný náboj a téměř veškerá hmotnost atomu, a z elektronů nacházejících se v určité (poměrně velké) vzdálenosti od jádra. Právě v blízkosti tohoto extrémně malého, těţkého a kladně nabitého jádra, kolem něhoţ jsou velmi vysoké intenzity elektrického pole, dochází k účinnému rozptylu těch alfa částic. Tento model však byl v rozporu s klasickou elektrodynamikou. Kaţdý elektron obíhající kolem jádra by měl vytvářet elektromagnetické pole, které by se projevovalo vyzařováním elektromagnetických vln, odnášejících kinetickou energii obíhajícího elektronu. Takto brzděný elektron by ve spirále obíhal stále blíţe a blíţe k jádru, aţ by elektron nakonec dopadl na jádro. Nic takového ovšem nepozorujeme. Bohrův kvantový model Nedostatek planetárního modelu atomu napravil r. 1913 dánský fyzik Niels Bohr, který doplnil původní planetární model atomu o tři důleţité postuláty:  Elektron nemůţe kolem jádra obíhat po libovolných drahách, ale po pevně daných (kvantovaných) drahách s přesně určenými diskrétními hodnotami poloměru.  Takové dráhy (elektronové orbity) jsou stacionární a elektron při oběhu na nich nevyzařuje elektromagnetické vlny.  Pouze při přechodu elektronu na jinou kvantovou dráhu, v níţ má elektron niţší energii, vyzáří atom foton, jehoţ energie se rovná úbytku energie elektronu.

9

Opačný přechod je moţný jen tehdy, získá-li elektron potřebný rozdíl energie (buď nárazem jiné částice, nebo pohlcením fotonu s příslušnou energií). Bohrův model si s příslušnými modifikacemi svou platnost zachoval dodnes. Kvantově mechanický model atomu Je to zdokonalený Bohrův model, který vyřešil řadu jeho nedostatků. Tento model je převáţně matematický, jehoţ názornost je značně omezena. Stav částice, popř. systému částic je vyjádřena pomocí veličiny vlnové funkce  a je moţné je vypočítat pro zvláštní stavy podle Schrödingerovy rovnice. Korpuskulárně-vlnový dualizmus Elektron má mechanické i vlnové vlastnosti, říkáme, ţe má korpuskulárně vlnový dualismus. Záleţí na pokusu, kterým se zjišťuje chování částice – fotony se mohou chovat jako částice s nulovou klidovou hmotností – jsou to kvanta světelné energie, elektrony zas mohou vykazovat vlnové vlastnosti – příkladem mohou být elektronové mikroskopy.

2.1.3. Existence molekul, částic a jejich struktura Kvantová hypotéza Částice, z nichţ je vytvořená látka, na sebe působí vzájemnými silami. Tyto síly vysvětlujeme tak, ţe částice kolem sebe vytvářejí silová pole a jejich prostřednictvím působí na jiné částice. Mezi velmi důleţité pole patří elektromagnetické, které se můţe šířit v podobě elektromagnetických vln jako záření. Ve vakuu se všechny elektromagnetické vlny šíří rychlostí světla c, při čemţ platí známý vztah



c



kde λ ν

vlnová délka kmitočet.

Podle vlnových délek rozlišujeme celé spektrum elektromagnetických vln:

10

Elektromagnetické spektrum Viditelné

Ionizující záření

Neionizující záření

Infračervené Ultrafialové

Radar

X záření

FM TV

Gama záření

Krátké vlny

Kosmické záření

Vysílače Přenos energie

-14

-12

10

-10

10

-8

10

-6

10

10

-4

10

-2

10

1

2

10

4

10

6

10

8

10

Vlnová délka v metrech 10

10

8

10

6

10

4

10

Vysoká

2

10

1

-2

10

-4

10

Energie v eV

-6

10

-8

10

-10

10

-12

10

-14

10

Nízká

Elektromagnetické záření vysílají všechna tělesa. Při dopadu na těleso se elektromagnetické záření můţe odrazit nebo pohltit. Důleţitým případem je záření rovnováţné, které je nazýváno také zářením černého tělesa. Takové záření vzniká třeba v uzavřené dutině se zahřátými stěnami. Bylo objeveno, ţe takové spektrum záření závisí pouze na teplotě tělesa, nikoliv na jeho chemickém sloţení nebo na jiných okolnostech experimentu. Spektrum tohoto záření je spojité, těleso vyzařuje na všech vlnových délkách, ale s různou intenzitou. Vzájemnou závislost mezi energií rovnováţného záření na vlnové délce objevil aţ na základě kvantové hypotézy Max Planck (1858 – 1947). Kvantová hypotéza spočívala v tom, ţe záření vydávané a pohlcované jednotlivými atomy zahřátého tělesa nemůţe mít libovolnou energii, ale je vţdy vydáváno a pohlcováno v určitých dávkách – kvantech. Energie takového kvanta záření je úměrná jeho frekvenci při čemţ platí: E  h

kde E h ν

energie kvanta záření Planckova konstanta frekvence záření.

Tímto objevem se datuje vznik kvantové fyziky. Elektrony V r. 1859 objevil Julius Plücker katodové paprsky, které vznikají ve výbojové trubici za silně sníţeného tlaku. Pokusy bylo zjištěno, ţe tyto paprsky vyletují z katody, ionizují plyny, vyvolávají světélkování a zahřívají látky, roztáčejí malý lehký mlýnek, pronikají tenkým hliníkovým plíškem a odchylují se v elektrickém a magnetickém poli jako záporně nabité 11

částice. Při dopadu na anodu vyvolávají rentgenové záření Posléze bylo vysloveno podezření, ţe rentgenové záření je vlastně elektromagnetické záření. Na základě těchto a dalších pokusů vyslovil J.J.Thomson (1897) předpoklad, ţe katodové paprsky jsou proudem rychle letících záporně nabitých elektrických částic, jakýchsi „atomů elektřiny“, neboli elektronů. Brownův pohyb Názvem Brownův pohyb se označuje neustálý chaotický pohyb malých částeček (o průměru řádově 10-6 - 10-7 m) rozptýlených v kapalině nebo plynu. Tento jev objevil Robert Brown (1773 – 1858) při zkoumání vodní suspenze pylových zrnek mikroskopem. Teoretickou a experimentální analýzu tohoto jevu provedl roku 1908 Jeanem Baptista Perina (1870 – 1942), který potvrdil molekulárně-kinetickou představu, kterou formulovala jiţ řada badatelů před ním. A atom se stal ústředním pojmem přírodovědy začínajícího dvacátého století.

2.1.4. Prezentace přednášek a cvičení z jaderné fyziky (Singer 2009a)

Stavba atomového jádra Jádro se skládá ze Z protonů a N neutronů Protony a neutrony souhrnně označujeme nukleony (= částice nalézající se v jádře), nukleonové číslo A=Z+N je součtem protonového čísla Z a neutronového čísla N. Protony a neutrony patří mezi baryony = těţké fermiony (částice s polocelým spinem) Značení 235

A Z

U 235 92 U U - 235

X

Prvek X je dán protonovým číslem Z Protonové číslo určuje téţ počet elektronů v neutrálním atomu A = 235  235 nukleonů Z = 92  92 protonů  235-92 = 143 neutronů

12

Periodická tabulka prvků

Hmotnost atomu Hmotnost protonu a hmotnost neutronu jsou téměř shodné a 1840 krát větší neţ elektronu  hmotnost elektronů je zanedbatelná vůči hmotnosti jádra a hmotnost jádra je dána počtem nukleonů

matom  Zm p  Nmn  Zme mJ  Zm p  Nmn

 ( Z  N )m p  Am p

mp= 1,6726.10-27 kg mn= 1,6750.10-27 kg me= 9,11.10-31 kg

Uvedený přibliţný vztah nezohledňuje změnu hmotnosti jádra způsobením vazebné jaderné energie !

13

Izotopy Atomy, jejichţ jádra mají stejný počet protonů ( jádra jednoho prvku), odlišují se však počtem neutronů Velmi podobné fyzikální a chemické vlastnosti (kromě radioaktivních), neboť chemické vlastnosti závisejí na struktuře atomového obalu, tj. počtu elektronů, který je roven počtu protonů, tj. totoţný pro izotopy Rozdílná hmotnost jádra  rozdílná hustota chemických látek s různými izotopy  moţnost separace izotopů Radioaktivita odlišných izotopů je výrazně odlišná!

Příklady 1 1 2 1 3 1

H HD HT

235 92

U

238 92

U

lehký vodík (obyčejný) těţký vodík (deuterium) supertěţký vodík (tritium)

Izobary Atomy, jejichţ jádra mají stejný počet nukleonů, ale odlišují se počtem protonů ( jádra odlišných prvků) Přibliţně stejná hmotnost jádra Odlišné chemické vlastnosti (jádra odlišných prvků) Přechod mezi sousedními izobary zprostředkovává rozpad  (-, +)

Příklady

60 28

Ni

60 27

238 92

U

238 93

238 92

U

Co Np

238 94

Pu

14

Izomery Atomy (jádra) o stejném protonovém i neutronovém čísle, které se však liší energetickým stavem jádra Obdobně jako elektrony atomového obalu mohou obsazovat různé energetické hladiny, mohou i protony a neutrony obsazovat různé jaderné energetické hladiny Přechod mezi izomery (z excitovaného stavu do niţšího nebo přímo nejniţšího = základního stavu) zprostředkovává rozpad , tj. vyslání vysokoenergetického fotonu

Příklad 99 43

Tc

99 43

* Tc m (99 43Tc ) metastabilní (excitované) technecium

Části atomu • Kaţdý prvek má jiný počet protonů ve svém jádře – Protony jsou nositeli kladného náboje – Změna počtu protonů  změna prvku - jaderná chemie (fyzika)

• Neutrální atom prvku má stejný počet elektronů jako protonů – Elektrony jsou nositeli záporného náboje – Změna počtu elektronů  ionizace prvku - chemie

• Většina prvků má také neutrony – Neutrony nenesou ţádný náboj

15

p+

e-

n0

Atom vodíku • Jeden elektron obíhající kolem jádra • 1 proton = Z = protonové číslo p

• 0 neutronů = N - neutronové číslo • A = Z+N =1 - nukleonové číslo e

1H

• Jednou ionizovaný vodíkový atom- chybí jeden elektron = 1H+ • Přidáním neutronu do jádra dostaneme deuterium = 2H = D

Atom helia • Dva elektrony obíhající jádro

e p n

n p

e 4He

• 2 protony = Z = 2 • 2 neutrony = N = 2 • A = Z+N =4 • Jednou ionizované helium: 4He+ • dvakrát ionizované helium: = částice  = 4He2+

16

Stabilita izotopů

Z > 83  nestabilní izotop

Nejtěţší stabilní prvek Z = 83 (209 83 Bi)

Neutronové číslo N

•3000 známých jader, pouze 266 stabilních

•Linie stability N  Z pro lehčí jádra, N > Z pro těţší jádra (elst. repulze protonů)

Linie stability 100

N=Z 50

50

100

Protonové číslo Z

Hmotnost atomu při zanedbání hmotnostního deficitu Hmotnost protonu a hmotnost neutronu jsou téměř shodné a 1840 krát větší neţ elektronu  hmotnost elektronů je zanedbatelná vůči hmotnosti jádra a hmotnost atomu je dominována hmotností jádra, která je dána počtem nukleonů matom  Zm p  Nmn  Zme mp= 1,6726.10-27 kg mJ  Zm p  Nmn  ( Z  N )m p  Am p

mn= 1,6750.10-27 kg me= 9,11.10-31 kg

Uvedený přibliţný vztah nezohledňuje změnu hmotnosti jádra uvolněním vazebné jaderné energie a musí být zpřesněn zavedením hmotnostního deficitu!

17

Hmotnostní deficit (defekt) m Při vytvoření jádra ze Z protonů a N neutronů se uvolní vazebná energie, tj. sníţí se energie vzniklého jádra  výsledné jádro je lehčí neţ součet hmotností nukleonů Sníţení je úměrné uvolněné vazebné energii  stabilní jádra jsou výrazněji lehčí, neţ součet hmotností nukleonů

mJ  Zmp  Nmn  m

m 

Hmotnosti izotopů se standardně udávají včetně hmotností elektronů 

EJ c2

matom  Z mp  me   Nmn  m

Atomová hmotnostní jednotka – definována jako 1/12 hmotnosti atomu izotopu 12C 12

 

m 6 C  12mu

mu= 1,6605.10-27 kg

Vazebná energie jádra na jeden nukleon

Vazebná energie / nukleon ( MeV)

•Vazebná energie celého atomu roste s nukleonovým číslem, EA = EJ ≈ A •Vazebná energie na jeden nukleon není přesně konstantní Maximum pro ţelezo Nejniţší pro nejlehčí a nejtěţší prvky Výjimečně stabilní 4He

Max pro 56 26Fe Štěpení (A ~ 200)

Nukleonové číslo A

18

Základní typy jaderných přeměn Určují druhy IZ

Radioaktivní rozpad 

4 2 Částice  = 2 He Emitování jádra hélia z jádra těţkého atomu (A >150) a jeho transmutace = přeměna na jiný prvek A Z

X  ZA 42 X2-  42 He2

24 2 Ra  222 86Rn  2 He

226 88

2Bi  208  42 He2 81Tl

212 83

poločas rozpadu 1622 let

Při  rozpadu se zachovává nukleonové a protonové číslo Vzniklý těţký aniont má Z elektronů a Z-2 protonů  náboj 2Za zákona zachování energie a hybnosti je jednoznačně určena energie částice  i dceřinného jádra Díky vysoké hmotnosti částice  dochází ke zpětnému rázu, jádro získává dostatečnou energii k ionizaci

19

Energetické spektrum vyletujících  částic

Radioaktivní rozpad -

Částice  (-) = e -

Podstatou rozpadu - je přeměna neutronu na proton, elektron a elektronové antineutrino 1 1  0 0 n  1p  -1e   e Poločas rozpadu volného neutronu je 10,3 minuty Hmotnost neutronu je vyšší neţ součet hmotnosti protonu a elektronu (a antineutrina)  můţe docházet k samovolnému rozpadu Při - rozpadu se jeden neutron v jádře přemění na proton, elektron a antineutrino se vyzáří A Z

X  Z A1X  -01e-   e

14 6

C  147N  -01e-   e

(Anti)neutrina jsou téměř nedetekovatelná Zeslabení intenzity na polovinu  1016 m olova Hmotnost neutrina max. řádově milióntina hmotnosti elektronu

Radioaktivní rozpad +

Částice + = e 

Podstatou rozpadu + je přeměna protonu na neutron, pozitron a elektronové neutrino

 p   n  1 1



1 0

e  e

0  1

Hmotnost protonu je niţší neţ hmotnost neutronu  nemůţe docházet k samovolnému rozpadu volného protonu, ale můţe k této přeměně docházet v jádře atomu Při + rozpadu se jeden proton v jádře přemění na neutron, pozitron a neutrino se vyzáří Všechny + radionuklidy jsou umělé (vyuţití: např. PET) A Z

X  Z A1X  01e   e

C  115B  01e   e

11 6

20

Radioaktivní rozpad  - záchyt K Zachycení elektronu z první slupky obalu (slupka K) jádrem a následná jaderná reakce X-01e-  Z A1X   e

A Z

Přeměna atomu, změna protonového čísla jako při rozpadu + Elektron z první slupky interaguje s protonem v jádře za vzniku neutronu a neutrina Br -01e-  80 34Se   e

80 35

Radioaktivní záření  Vzniká v jádře atomů při změně energetického stavu jádra – následek emise či absorbce částice Vlnová délka  < 300 pm Energie 100 keV aţ 10 MeV Silně ionizující Fotoelektrický jev (dominantní do 0,5 MeV) Comptonův rozptyl (dominantní 0,5 – 5 MeV) Tvorba elektron – pozitronových párů (e- , e+) Opačný proces k anihilaci páru částice – antičástice Pouze u fotonů s energií větší neţ 2mec2  1 MeV Pouze za účasti interakce s další částicí (atomem)   e-  e   nenastává ve vakuu

21

Vnitřní konverze záření  Foton emitovaný jádrem vyrazí elektron z vnitřní vrstvy atomového obalu Těţký atom  vysoké protonové číslo  velká elektrostatická energie vnitřních elektronů

Vyraţený elektron s velkou energií a ionizační schopností ionizuje prostředí Konverzní elektron

Přeskok elektronu z vyšší vrstvy na uvolněné místo vnitřní vrstvy  vznik RTG záření s moţností další konverze Augerův elektron

  zářič můţe být zdrojem sekundárního záření  a RTG záření

Jaderné reakce Zákony zachování

A1 Z1





X AZ22 Y  ZA1 X  AZ2 Y 1

Počtu nukleonů

2









A1  A2  A1  A2

Elektrického náboje

Z1  Z 2  Z1  Z 2

Protonové číslo se nezachovává, pokud dochází k přeměně mezi protonem a neutronem, jinak ano Zachovává se pseudoprotonové číslo, které vychází z náboje elementárních částic  zachování náboje

Energie  celková relativistická hmotnost Hybnosti Momentu hybnosti

22

2.2. Radiační fyzika V kap. 2.1. jsme se podrobně zabývali vlastnostmi různých druhů záření, nyní je to však především z pohledu fyziky záření, tj. vlivu látkového prostředí na šíření záření, jeho absorpci, rozptyl či konverzi na jiné druhy záření. Zde se budeme interakcemi záření zabývat z pohledu vlastní látky vystavené záření, tj. účinků záření na fyzikální a chemické vlastnosti látky. Zvláštní pozornost pak bude věnována účinkům záření na ţivou tkáň (v kapitole Radiační ochrana). Jiţ sám název "ionizující záření" napovídá, ţe základním fyzikálním účinkem tohoto záření na kaţdou látku je ionizace - z původně elektricky neutrálních atomů jsou vyráţeny záporné elektrony, čímţ se tyto atomy mění v kladně nabité ionty. Vliv této ionizace na ozařovanou látku rozhodujícím způsobem závisí na jejím atomovém sloţení. 2.2.1. Interakce ionizujícího záření s hmotou Záření gama Interakce záření gama s hmotným prostředím se výrazně odlišuje od interakce elektricky nabitých částic. Při průchodu prostředím uvolňují fotony elektricky nabité částice (elektrony), které tím získají energii dostatečnou k tomu, aby byly schopné prostředí ionizovat a excitovat. Záření gama náleţí tedy do kategorie nepřímo ionizujícího záření. Záření gama interaguje s látkou fotoefektem, Comptonovým rozptylem a tvorbou párů elektron – pozitron. Comptonův jev můţeme povaţovat za důkaz hmotného projevu fotonového záření. Byl podán aţ v roce 1922 Arthurem Comptonem (1982 – 1962), který experimentoval s rentgenovým zářením. Při Comptonově rozptylu se jedná o interakci fotonů se slabě vázanými elektrony na vnějších slupkách atomů. Foton předá část své energie volnému elektronu a uvede jej do pohybu. Rozptýlený foton pak s niţší energií pokračuje v pohybu v odlišném směru. Comptonův rozptyl je převládajícím typem interakce záření gama středních energií s látkami o malém atomovém čísle (voda, tkáň aj.). Fotoelektrický jev či fotoefekt je jev, který v roce 1887 poprvé popsal Heinrich Hertz. Pozoroval chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu. Při ozáření vzorku spektrem vlnění byly pohlceny krátké vlnové délky a přitom delší vlny ve spektru zůstaly. Pro krátké vlnové délky došlo k emisi elektronů z kovu. Počet těchto elektronů rostl s intenzitou vlnění. Jev byl ale pozorován jen pro krátké vlnové délky, pro velké délky vln jev nenastal ani při jakékoliv intenzitě. Při fotoefektu předá foton záření gama veškerou svoji energii elektronu na některé z vnitřních slupek atomu. Tento elektron je z atomu uvolněn a jeho místo je zaplněno elektronem z vyšší slupky a přebytek energie je vyzářen v podobě fotonu charakteristického rentgenového záření. Pravděpodobnost fotoefektu se zmenšuje s rostoucí energií záření gama a roste s atomovým číslem materiálu; projevuje se tedy hlavně u fotonů s niţší energií a v látkách s vysokým atomovým číslem (např. ve stínícím materiálu Pb).

23

Třetím nejdůleţitějším procesem interakce fotonů s látkou je tvorba párů elektron-pozitron, spojená se zánikem fotonu. Energie fotonu se spotřebovává jednak na klidovou energii obou vzniklých částic, jednak na jejich kinetickou energii. K procesu nemůţe dojít bez přítomnosti třetí částice, kterou je zpravidla atomové jádro.

Nabité částice Z celé široké oblasti nabitých částic se omezíme pouze na stabilní částice, tj. elektrony, protony a nabité částice sloţené z více nukleonů – z nich jsou pro nás důleţité částice alfa. Nabité částice můţeme při tom rozdělit do dvou skupin – na elektrony a těţší nabité částice. Mechanizmy interakcí jsou v obou skupinách obdobné, avšak vzhledem k podstatnému rozdílu v hmotnostech interagujících částic existují rozdíly, které toto dělení opravňují. Těţké nabité částice ztrácejí svoji energii převáţně sráţkami s obalovými elektrony atomů látky. Pokles jejich energie je následek řady excitačních a ionizačních procesů. Další dva procesy, které se obecně uplatňují při průchodu těţkých nabitých částic látkou, jsou rozptyl na jádrech atomů a buzení brzdného záření. Vzhledem k tomu, ţe těţké nabité částice ztrácejí při ionizačních a excitačních procesech velmi rychle svoji energii, jejich dosah v prostředí je velmi malý. V plynech je např. dosah alfa částic řádově několik cm, ve tkáni μm aţ desítky μm. Mechanizmy interakce elektronů s látkou jsou do značné míry podobné jako procesy interakce těţkých nabitých částic. Elektrony (částice beta) při průchodu prostředím ztrácejí svoji energii ionizací nebo excitací atomů a dále v důsledku brzdného záření. U kladných elektronů (pozitrony) dochází navíc k produkci fotonového záření při anihilaci párů elektron – pozitron. Jelikoţ elektrony jsou ve srovnání s těţkými nabitými částicemi relativně malé a lehké, jsou rozptylovány s malými ztrátami energie a jejich dráha můţe být značně klikatá. Jejich dosah závisí na energii; záření beta s maximální energií 2 MeV má dolet ve vzduchu přibliţně 8 m, ve vodě 1 cm a v hliníku 4 mm. Energie brzdného záření a výtěţek brzdného záření závisejí na atomovém čísle absorbující látky – u těţkých látek jsou výrazně vyšší neţ u látek lehkých.

Záření neutronové Pruţný rozptyl je nejpravděpodobnějším typem interakce rychlých neutronů s látkou. Na základě klasické mechaniky si lze tento jev představit jako pruţnou sráţku dvou částic. Odraţené jádro pak ztrácí svou energii v řadě ionizačních a excitačních procesů. Zejména při vyšších energiích neutronů můţe dojít k nepruţnému rozptylu, co je jejich dočasný záchyt a následná emise jádrem. Odraţené jádro je při tom v excitovaném stavu a emisí fotonu se dostává do základního stavu. Při jaderné reakci je neutron absorbován jádrem – tím se vytvoří sloţené jádro ve vzbuzeném stavu, které vyzáří excitační energii ve formě fotonu a neutron zůstává trvale součástí jádra. Při těchto reakcích dochází ke vzniku buď nového prvku, nebo izotopu některého přítomného prvku. Produkty těchto reakcí jsou velmi často radioaktivní. 24

2.2.2. Veličiny popisující interakci ionizujícího záření s látkou Nyní popíšeme některé veličiny, které interakci charakterizují. Představme si tedy nejjednodušší typický proces: terčík sloţený z částic typu A je ozařován částicemi typu a. Při střetnutí těchto částic dojde k reakci typu (Konečný 2006): A a  B b,

kde B, resp. b jsou částice, které při této reakci vznikají. Mírou pravděpodobnosti, ţe k takové reakci dojde, je veličina zvaná účinný průřez, zpravidla označován symbolem . Je definován jako podíl pravděpodobnosti, ţe pro danou terčovou entitu nastane určitá interakce, vyvolaná dopadem částic určitého druhu a energie, a fluence těchto částic. Jednotkou je m2, často se ale pouţívá jednotka barn, 1 b = 10-28 m2 Účinný průřez se vztahuje na různé typy procesů. Mohou jimi být pruţné rozptyly, jaderné reakce atd. Součet všech účinných průřezů odpovídajících různým reakcím a procesům mezi dopadající částicí daného druhu a energie a danou terčovou částicí se nazývá celkový (totální) účinný průřez tot. Tato veličina je mírou pravděpodobnosti, ţe dojde k jakékoliv interakci mezi oběma částicemi. Charakter účinných průřezů mají i veličiny, označované jako součinitele zeslabení. Za základní veličinu lze v tomto smyslu povaţovat lineární součinitel zeslabení  (jednotkou je m-1), který je jiným vyjádřením celkového makroskopického účinného průřezu tot pro odstranění částic ze svazku. Je definován vztahem



1 dJ , J dx

kde J je hustota proudu částic ve svazku rovnoběţném se směrem x. Tuto veličinu má smysl pouţívat pouze pro nenabité částice, kde interakce vede k absorpci částice nebo jejímu rozptýlení ve svazku.

25

2.2.3. Prezentace přednášek a cvičení z radiační fyziky (Singer 2006)

Rozpadový zákon Pravděpodobnost rozpadu kteréhokoliv atomu je nezávislá na ostatních atomech nt   nt t  nt   n0 exp  t  1.2 1.0

n(t)/n0

n(t)… počet jader přeměněných za krátký čas t mezi časy t,t+t n(t)… počet nerozpadlých jader v čase t … přeměnová konstanta

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0

1

2

t

3

4

Poločas rozpadu T

Poločas rozpadu T udává čas, za který se rozpadne polovina radioaktivních jader nt   nt t  nt   n0 exp  t  n nT   n0 exp  T  nT   0 2 n0 1 1  n0 exp  T    exp  T   ln  T 2 2 2 1  ln 2  ln 2  T T t

t  ln 2   1 T  T nt   n0 exp   t   n0 exp ln 2  n0    T  2

26

5

Poločas rozpadu T

Poločas rozpadu T udává čas, za který se rozpadne polovina radioaktivních jader t

 1 T nt   n0   2 n(t)/n0

1.00 0.75 Col 1 vs Col 2

0.50 0.25 0.00

0.T

1.T

2.T

t

3.T

4.T

5.T

Aktivita látky Aktivita látky A(t) udává počet přeměn za jednotku času nt  nt   nt t  At     nt  t

Aktivita je přímo úměrná počtu radioaktivních jader Aktivita klesá s časem stejně jako mnoţství radioaktivního materiálu t

ln 2  1 T At   A0 exp  t   A0   ;   T 2 [A] = Bq, 1 Bq = 1 přeměna za sekundu 1 Ci = 3,7.1010 Bq

27

2.2.4. Prezentace přednášek a cvičení z radiační fyziky (Singer 2009a)

Fotoelektrický jev Jeden z mechanizmů přeměny primárního záření (elektromagnetické) na sekundární (elektronové, beta) Dopadající foton způsobí ionizaci elektronu Makroskopický projev – pozitivní náboj kovu

Význam fotoefektu pro absorbci elektromagnetického záření v látce Dominantní při energiích do cca 0,5 MeV -

Cs

Fotoelektrický jev Fotoelektrický jev nastává pouze při frekvencích fotonů vyšších neţ určitá mez Při niţších frekvencích vůbec nenastává

Energie uvolněných elektronů závisí pouze na frekvenci fotonů Nezávisí na intenzitě (mnoţství) fotonového záření

Počet uvolněných elektronů je úměrný počtu dopadajících fotonů -

28

Fotoelektrický jev Vysvětlení 1) Ke sráţce dochází na úrovni jednoho fotonu a jednoho elektronu  nemá-li foton dostatečnou energii nemůţe dojít k fotoefektu 2) S rostoucí frekvencí fotonů roste jejich energii a tím kinetická energie uvolněných elektronů 3) Vyšší počet dopadajících fotonů  více sráţek a více uvolněných elektronů

E f  Ev  Ekin

1 hf  Ev  mev 2 2

Ef ... energie fotonu Ev ... výstupní práce potřebná na uvolnění elektronu z kovu Ekin ... kinetická energie elektronu

Comptonův jev Jeden z mechanizmů přeměny primárního záření (elektromagnetické) na sekundární (elektromagnetické, beta) Dopadající foton se srazí s elektronem o malé kinetické a potenciální energii – volný elektron, vázaný v atomu Comptonův jev dominuje při energiích primárního fotonu větších neţ 0,5 MeV

f ,  

f ,





-

Ek

29

Comptonův jev Význam pro absorpci Energie primárního fotonu je rozdělena na energii sekundárního fotonu a kinetickou energii elektronu

Makroskopický projev – pozorování sekundárního (rozptýleného) elmg. záření o větší vlnové délce neţ je vlnová délka primárního záření E f  Ekin  E f 

hf 

      

1 mev 2  hf  2

h 1 cos   mec

Comptonův vs. fotoelektrický jev U fotoefektu je primární foton pohlcen, u Comptonova jevu je rozptýlen U fotoefektu je dána změna energie primárního záření (foton) – sníţení o výstupní E f  Ev  Ekin práci Sníţení výrazné pro fotony s niţší energií, vysokoenergetický foton předá prakticky celou energii sekundárnímu elektronu

U Comptonova jevu je dána maximální změna h vlnové délky fotonu max  m c 1  cos  e

Výrazná změna pro vysokoenergetické fotony s malou vlnovou délkou, malá změna pro nízkoenergetický foton s velkou vlnovou délkou

30

2.3. Radiační ochrana 2.3.1. Prezentace přednášek a cvičení z radiační ochrany (Singer 2006)

Protection against external exposure

Absorpční zákon Vychází z předpokladu, ţe útlum (podíl pohlcených částic) na jednotku délky závisí pouze na materiálu absorbéru a druhu záření Zanedbává závislost útlumu na energii částice Nepodstatné, pokud se částice pohltí během několika sráţek Nezanedbatelné, částice během absorpce výrazně mění energii – pohlcování těţkých částic x

 1 d I x   I 0 exp  x   I 0   2

d

... lineární koeficient zeslabení d... polotloušťka (polovrstva)

31

ln 2



Absorpce záření  Lineární součinitel zeslabení   [cm ] Fe Z=26 1,58 1,27 1,13 0,94 0,85 0,66 0,47 0,33 0,25 0,23 -1

E [MeV] 0,15 0,175 0,2 0,25 0,3 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0

Pb Z=82 24,4 15,4 11,8 6,58 4,76 1,72 0,79 0,51 0,49 0,60

Al Z=13 0,362 0,336 0,323 0,296 0,278 0,228 0,166 0,117 0,075 0,062

d1 / 2 

ln 2



d1/2 [mm] Pb Fe Al Z=82 Z=26 Z=13 0,28 4,39 19,15 0,45 5,46 20,63 0,59 6,13 21,46 1,05 7,37 23,42 1,46 8,15 24,93 4,03 10,50 30,40 8,77 14,75 41,76 13,59 21,00 59,24 14,15 27,73 92,42 11,55 30,14 111,8

Vedle součinitele zeslabení existují podobní součinitelé přenosu energie (s indexem „K“) a součinitelé absorpce energie ( s idexem „e“). Kaţdý z nich se dále dělí na samostatné veličiny podle toho zda se týká např. fotoelektrického jevu (označ. „τ“), Comptonova rozptylu („σ“) nebo tvorba párů („κ“).

32

sdělené energie „“, součet počátečních kinetických energií všech nabitých částic ve hmotě uvolněných EK absorbovaná dávka „D“ kerma „K“

D = d / dm K = dEK /dm

log E DÁVKA

nepřímo ionizující záření

KERMA

hloubka látky hloubka--> dosažení elektronové rovnováhy

Kermová vydatnost VK = x2 * (dK / dt) kermová konstanta gama

 = VK / A

Výpočet kermy K =  * (A / x2) * t

33

Pro měření veličin tedy i aktivity se pouţívají dva druhy dozimetrie tj. relativní, kdy naměřené hodnoty srovnáváme s etalonem o známé aktivitě a známém energetickém spektru za stejných podmínek. Tohoto druhu se však pouţívá při běţné praxi, kdy doba stanovení je omezená. Absolutní, kdy skutečná aktivita se zjišťuje přímým měřením za přesně definovaných podmínek a korekcí naměřených hodnot. K tomuto absolutnímu měření aktivity jsou pouţívány zejména tyto metody: Metoda absolutního počítání částic Počítače s vymezeným prostorovým úhlem Počítače s geometrií 4 Interní počítače Koincidenční metoda Elektrostatická metoda Iontometrická metoda Kalorimetrická metoda Chemická metoda

a) Počítače s vymezeným prostorovým úhlem A = (N.4) / (t.)

A = (N/t).(K1,K2,…..K7) kde

(3.1.1.1)

(3.1.1.3)

K1 – korekce na mrtvou dobu K2 – korekce na geometrické uspořádání a vliv konečných rozměrů zdroje K3 – účinnost detektoru K4 – korekce na absorpci záření v okénku (pouzdru) detektoru K5 – korekce na absorpci záření mezi zdrojem a detektorem K6 – korekce na samoabsorpci a rozptyl ve zdroji K7 – korekce na zpětný odraz od podložky zdroje

34

b) Počítače s geometrií 4 Způsob měření je zaloţen na registraci částic v celém prostorovém úhlu 4. Aktivní prostor počítače zcela obklopuje zdroj záření. Pouţívají se: GM detektory, proporcionální detektory, scintilační detektory s kapalným nebo tekutým scintilátorem. Jde o spojení dvou 2 počítačů, jejichţ anody jsou paralelně spojeny. Výsledný signál se zpracovává a vyhodnocuje v jednom společném kanálu

.

c)Interní počítače Plynové počítače - u nich měřený radionuklid součástí plynové náplně Scintilační detektory s kapalnými scintilátory - radioaktivní preparát rozpuštěn ve scintilátoru Jde o zvláštní případ počítání částic v geometrii 4. Radioaktivní atomy jsou rovnoměrně rozptýleny v aktivním objemu detektoru. Kaţdý atom měřeného vzorku je obklopen detekčním médiem, v němţ mohou být

.

emitované částice zcela absorbovány

35

Koincidenční metoda N = A *  *  N = A *  *  Nk = A *  *  *  *   - geometrické faktory  - účinnosti detektorů Součin  *  je pravděpodobnost registrace částice  dtto pro záření  pak je  *  *  *  - výsledná pravděpodobnost, ţe dojde k současné registraci částice  a kvanta  emitovaných při jedné radioaktivní přeměně Úprava vztahů: A = (N. N) / Nk (3.1.2.4) Koincidenční metodou lze tedy stanovit aktivitu pouze na základě měření četností impulsů N, N, Nk

Kalorimetrická metoda A = QT/ (p*E*t) kde E – energie vznikající při 1 radioaktivní přeměně, p – stupeň pohlcení energie v absorbátoru, t – doba měření Chemická metoda Měření dávkového příkonu D = SZP * W * I * -1 * V-1 kde SZP- poměr hmotnostních brzdných schopností materiálu stěn a plynu v dutině W – energie pro vznik 1 iontového páru v plynu dutiny  - měrná hmotnost plynu V – objem dutiny

36

2.3.2. Mezinárodní systém měření Poskytuje nástroj pro konzistentní rozšiřování kalibrovaných měřičů záření mezi uţivatele tak, ţe jejich měřiče mají návaznost na primární etalony (Heřmanská 2005)

BIMP – Bureau International des Poids et Measures (Mezinárodní úřad pro míry a váhy, Sevres – Paříţ) byl ustaven Metrickou konvencí (poprvé přijata 1875) a 48 státy, které jsou jeho členy k 31.12.1997. Slouţí jako mezinárodní středisko pro metrologii a má za úkol zajistit celosvětovou jednotnost v metrologii. PSDLs – primární standardizační dozimetrické laboratoře. Vyvinuly dozimetrii IZ primární standardy pro měření záření, byly srovnány s primárním standardem BIMP a ostatními primárními standardy navzájem. Celosvětově má kolem 20 zemí svou PSDL. Jsou to tzv. Národní standardní dozimetrické laboratoře, které jsou rozhodnutím dané vlády pověřeny vývojem udrţováním a zlepšováním primárních standardů v dozimetrii IZ. Udrţují primární standardy a kalibrují sekundární standardy SSDLs. SSDLs – Sekundární standardizační dozimetrické laboratoře. Je to kaţdá dozimetrická laboratoř pověřená kompetentním úřadem k zajišťování kalibračních sluţeb. Musí mít alespoň 1 sekundární standard, který byl okalibrován primárním standardem. Kalibrují referenční přístroje uţivatelů. Úkoly SSDLs:  překlenout mezeru mezi uţivateli IZ tím, ţe zprostředkují přenos dozimetrických kalibrací od primárního standardu k měřícím přístrojům uţivatelů,  zajistit, aby dávka dodaná pacientům podstupujícím léčbu IZ byla na mezinárodně přijatelné úrovni přesnosti,  účastnit se programů zajištění jakosti,  podporovat dozimetrický audit,  být nápomocny při kalibraci léčebných zařízení v nemocnicích

37

2.3.3. Některé příklady učebních textů

V této kapitole uvádím některé učební texty jako součásti kurikulárního procesu.

Je potřeba připomenout, ţe informace, které se v průběhu procesu mění jsou v obecnosti především charakteru personálního (např. historie vládnutí) nebo zdrojového (např. dobývání a zpracování rud) nebo mechanického (např. vynález a výroba parního stroje) nebo monitorovacího (např. sledování hvězd) apod. Z uvedených příkladů je zřejmá vyhraněnost informace (historie, chemie, strojírenství, astronomie). V dozimetrii jako celku tomu tak není, protoţe jako u interdisciplinárního oboru mohou být vyhraněny pouze jeho části, jak je zřejmé z následujících příkladů částí učebních textů. Jedná se o: 2.3.3.1. Historie radiační ochrany (Singer 2004) 2.3.3.2. Dozimetrie se zabývá: (Singer 2005) Kde část učebního textu pod písmenem A má charakter personální, pod písmenem B má charakter systémový a monitorovací.

2.3.3.1. Historie radiační ochrany Principy fyziky a chemie vycházejí z filozofie starých Řeků tak, jak definovali podstatu hmotného světa. Thales povaţoval za pralátku „vodu“, Anaximenes „vzduch“, Xenofanes „zemi“ a Herakleitos „oheň“. Aţ Aristoteles vytvořil filozofický základ tehdejší vědy. Definoval, ţe vše hmotné pozůstává ze všech výše uvedených ţivlů, které se navzájem ovlivňují, ale všem je společná hmotná podstata, tzv. „prahmota“. Ta je beztvará a bez vlastností. Jeho odpůrce Démokritos však tvrdil, ţe všechna hmota sestává z malých částeček „atomů“.

Narození vědy o přeměně atomu a o ionizujícím záření můţeme datovat do let 1895, kdy Röntgen objevil paprsky X, a 1896, kdy Becqerel objevil radioaktivitu. Předtím to byli fyzici, kteří jiţ od antiky potvrzovali nedělitelnost atomu. Byli to také fyzici, zejména Rutherford, Hess, Kolhörster a jiní, kteří se posléze na přelomu století zabývali přeměnami atomu včetně měření ionizujícího záření. Zároveň s tím se chemici, zejména Curieová, zabývali izolací radioaktivních prvků.

Radiační ochrana a zejména Osobní dozimetrie je poměrně nová disciplína v porovnání s ostatními přírodními a technickými vědami. Je vědou hraniční, protoţe v sobě obsahuje prvky fyziky, chemie, biologie, elektroniky aj. Zárodek jejího vzniku lze datovat počátkem rozvoje měřících metod v prostředí ionizujícího záření, tj. ve 20. letech 20. století. Nejstarší metodou osobní dozimetrie bylo měření pomocí ionizace v plynu. Zpočátku to byla ionizace ve vzduchu, posléze i dalších plynů, včetně inertních.

Teprve od 2. světové války se zvětšoval počet osob pracujících se zdroji ionizujícího záření, a proto se začal také zvětšovat zájem o osobní dozimetrii i o jiné monitorovací 38

metody. Avšak ještě v 60. letech byly k měření fotonů pouţívány tzv. ionizační komůrky ve tvaru vajíček, tuţkové ionizační komory ještě déle.

Renesance se v historii projevila pozorováním člověka, který byl povaţován v té době za střed zájmu. O čtyři aţ šest století později, tj. od 70. let 20. století, se tato filozofie renesance projevila i ve vědě zabývající se interakcí ionizujícího záření s ţivou hmotou, zejména v radiační ochraně. Byla vyzdviţena ochrana člověka včetně ochrany havarijní.

V 70. letech vznikla osobní dozimetrie jako vědní disciplína a zabývalo se jí stále více odborníků. Přispěl k tomu také rozvoj jaderné energetiky, zvýšená výroba umělých radionuklidů a jejich aplikace ve zdravotnictví. Rozšiřoval se rozsah typů a energií záření, rozsah měřených dávek zejména směrem k niţším hodnotám pod 1 mSv. V celém světě vznikala řada vědeckých kolektivů, které se zabývaly jenom osobní dozimetrií, a byl zahájen vývoj osobních dozimetrů, které byly schopny měřit veškeré záření. Prezentovali se vědečtí pracovníci z celého světa od Spojených států přes Evropu aţ po Japonsko, např. Attix F.H., Becker K., Burger G., Jones T.D., Piesch E., Rossi H.H., Snyder W.S., Somogyi G. aj.

Z našich odborníků, kteří se v té době věnovali problematice osobní dozimetrie, lze jmenovat: Běhounek, Novotný, Spurný, Turek z Ústavu dozimetrie záření Bučina, Malátová z Centra hygieny záření Heřmanská, Prouza z Ústavu biofyziky Praha Singer, Trousil z Ústavu pro výzkum, výrobu a vyuţití radioizotopů Neruda, Severa z Vojenského ústavu v Hradci Králové Nikodémová z Výzkumného ústavu v Bratislavě a další.

Výstupem z těchto výzkumných prací byla řada osobních dozimetrů, vznikaly i havarijní dozimetry, které byly schopny měřit dávky nad 1 Sv. Ionizační komůrky byly nahrazeny filmovými, termoluminiscenčními a později i elektronickými dozimetry, jeţ některé měřily i záření beta. Byla vyvinuta řada osobních dozimetrů pro měření neutronů, např. na principu počítání stop v pevných látkách nebo albedo dozimetry apod. Pro měření havarijních dávek fotonů a neutronů byly vyvíjeny také dozimetry chemické, aktivační, radiofotoluminiscenční, dále křemíkové diody, skla, která se v poli ionizujícího záření zabarvovala apod.

39

Vrcholem kolektivní práce těchto výzkumníků byla v té době unikátní metodika „Dozimetrické hodnocení radiační havarijní situace“. Tento materiál pojednával o zevním ozáření, zejména fotony a neutrony, v důsledku selhání lidských nebo technických faktorů a vedoucí k překročení, někdy i značnému, stanovených limitů. Byla zde popsána typická spektra záření při moţných havarijních situacích, dále rozhodovací schémata pro odhad dávky a pro třídění osob a v neposlední řadě zde byly popsány dozimetry, které slouţí pro vyhodnocení havarijní situace.Smyslem třídění osob při nehodě s větším počtem postiţených je vyřadit ty, u nichţ jsou dávky tak malé, ţe je moţno předem spolehlivě vyloučit projevy časných účinků ozáření. Dozimetrické hodnocení vyřazených osob a interpretace získaných výsledků pokračovaly metodami běţného monitorování a hygienického šetření s ohledem na pozdní účinky ozáření. Dalším smyslem třídění je brzo po zjištění nehody označit osoby, u nichţ je naopak oprávněné podezření na dávky tak vysoké, ţe lze očekávat zvláště závaţné projevy časných účinků záření.

V následujícím desetiletí se prohloubil vývoj osobních ochranných prvků, včetně havarijních systémů, a to zejména uvnitř i vně jaderných elektráren a výzkumných středisek. Tento vývoj byl nasměrován na jedné straně do pasivních prvků, tj. měření aktivit a dávek na příklad u reaktorů, v těle pracovníků, ale také v komínech jaderných elektráren, na hranicích jaderných elektráren a v okolí. Na straně druhé do aktivních prvků, tj. do stínění. Budování stínění jako aktivní ochrany se provádělo formou ochranných krytů zářičů nebo stínění vlastních pracovníků, například při defektoskopických pracích nebo při údrţbě na elektrárně anebo při radiodiagnostice ve zdravotnictví.

Koncem 80. a v 90. letech se výroba osobních dozimetrů zkomercializovala a dnes si jiţ práci se zdroji ionizujícího záření bez pouţití osobních dozimetrů nelze představit ať u reaktoru nebo u rentgenu, nebo u defektoskopického ozařovače. Tato léta také lze nazvat obdobím obav v důsledku černobylské havárie. V té době i později se na celém světě rozvinula průmyslová výroba osobních dozimetrů, spektrometrů, aktivních ochranných prvků. Ochrana člověka před ionizujícím zářením byla silně zekonomizována. Byly počítány náklady na ozáření, zdravotní náklady a náklady na ochranu.

Se sniţováním limitů ozáření vyvstávala ve světě otázka, kam aţ s tímto sniţováním můţeme jít, aby to bylo ještě ekonomicky únosné, aby tedy byl zachován princip ALARA. K tomu slouţí optimalizace radiační ochrany, pro kterou byla v té době vytvořena řada analytických metod vyuţívaných dodnes. Optimalizaci řešila nejvíce pouţívaná poměrně jednoduchá metoda nákladů a přínosů, známá jako „Cost – benefit analysis“ i z jiných oborů lidské činnosti, například z dopravy. Zejména tak zvaná „Extended cost – benefit analysis“ dobře kvantitativně popisuje náklady (Y) na sníţení kolektivní dávky (S). Porovnáním těchto nákladů s náklady na opatření (označené X) vedoucí ke sníţení dávky tak, ţe součet X + Y je minimální a tedy součet jejich derivací

dX/dS + dY/dS = 0

40

vede k optimalizaci daného procesu v radiační ochraně. Odborný svět však brzy zjistil, ţe někdy ozáření člověka zvnějšku doprovází i ozařování zevnitř těla, od radionuklidů usazených v orgánech a tkáních. A proto se začal zabývat také stanovením vnitřního ozáření (vnitřní kontaminace) zejména na jaderných elektrárnách. Vnitřní kontaminace se vţdy zjišťovala měřením záření fotonového, beta a alfa buď vyzařovaného z těla nebo v exkretech. Princip monitorování zůstával stejný. Hodnota dávky vlivem vnitřní kontaminace se stanovovala z hustoty toku záření vycházejícího buď z určitého orgánu, nebo z celého těla, nebo z určitého mnoţství moči, stolice případně jiného exkretu. Podle standardních modelů se pak hustota toku záření přepočítala na aktivitu deponovanou v těle, pak na aktivitu přijatou do organizmu a posléze na dávku. Zjistilo se také, ţe vnitřní kontaminace se šíří k člověku potravními řetězci, a proto byly tyto modelovány a studovány. Rozvinul se tudíţ zájem i o jiné biologické objekty, o jejich akumulaci radionuklidů a o vliv na jejich fyziologii a genetiku. S postupujícím zájmem společnosti o ţivotní prostředí se prokazovalo, ţe radioaktivita se nekumuluje převáţně jen v konečném uţivateli potravy, např. v člověku, ale značně i v rostlinách a ţivočiších, ať jsou, nebo nejsou součástí potravního řetězce člověka. Nyní na prahu dvacátého prvního století se začínáme ptát. Stojí vývoj ochrany člověka, ale i ostatních biologických objektů za ty peníze? Není výhodnější nahradit člověka robotem? Při některých pracích se to dnes jiţ aplikuje. Jako příklad uvedu prohlíţení, zda reaktorová nádoba a zejména hrdla hlavních cirkulačních potrubí na jaderných elektrárnách nejsou poškozeny. Nyní se na to jiţ dlouho pouţívají roboti. Další vývoj ukáţe, zda je konec renesance v ochraně před ionizujícím zářením, nebo zda budou objeveny nové fenomény, nové metody ochrany člověka, případně nové vědní obory a nové interpretace. Jedním z nových fenoménů, který se objevil po 11. září 2001 a před kterým stojí celý odborný svět, je moţnost „radiační útok“, jehoţ pravděpodobnost je navíc akcentována médii. Jedná se především o napadení nebo sabotáţ v jaderných zařízeních a také rozšiřování jaderného a radioaktivního materiálu. Odborníci se nyní vedle fyzické ochrany jaderných zařízení zabývají také „ochranou proti radiačnímu ozáření po radiačnímu útoku“. Zároveň s pouţíváním zdrojů ionizujícího záření se začala rozvíjet nejen ochrana, ale i regulace této ochrany a regulační orgány a odborné instituce. Jednou z nich, která jiţ řadu let ovlivňuje dění v radiační ochraně, je „ICRP“ (Mezinárodní komise pro radiační ochranu), která vznikla jiţ v roce 1928 pod jiným jménem, vydala v té době svůj první report. První publikaci v nově utvořené ICRP vydala v roce 1959. Do roku 2008 jich vydala cca 110. Fundamentálními jsou např. tyto: No. 23 – Reference Man 30 – Limit for Intakes of Radionuclides by Workers 55 – Optimization and Decision-Making in Radiological Protection 103 Recommendations of the ICRP

41

Existuje řada obdobných i národních institucí jako např. (ve zkratkách): ICRU, IAEA, WHO, UNSCEAR, ISO, IRPA, USNRC (v USA), SÚJB (v České republice)

2.3.3.2. Dozimetrie ionizujícího záření se zabývá: a) Zdroji ionizujícího záření (vč. Prezentace přednášek a cvičení z dozimetrie (Singer 2009b)). Zdroje mohou být podle svého tvaru rozděleny na bodové, lineární, plošné a objemové. Mnoţství záření, které vystupuje zdroje (je emitováno) je dáno nejen uvedenými geometriemi, rozměry a hmotnostmi, ale také parametry radionuklidů v tomto zdroji jako na příklad aktivita, poločas, typ a energie záření. Vzájemná interakce těchto parametrů a rozměrů určuje, ţe jen část ionizujícího záření se můţe dostat do okolí a část se můţe absorbovat ve vlastním zdroji. Pak mluvíme o samoabsorpci ve zdroji. Při této samoabsorpci se nemusí jen sníţit počet částic alfa, beta nebo fotonů či neutronů, ale také se můţe změnit typ, energie a směr tohoto záření. Pokud se záření dostane ven ze zdroje, vytváří v jeho okolí pole ionizujícího záření.

Zdroje ionizujícího záření Jaké typy zdrojů emitují ionizující záření ? •

Záření emitované radioaktivními látkami (mající původ v jádře atomů resp. procesech na úrovni jádra)

•

Reaktory se štěpnou reakcí

•

RTG lampy

•

Urychlovače

•

Kosmické záření

•

jaderné záření vs. radioaktivní záření

CNP, zimní semestr 2009

42

5

Zdroje ionizujícího záření Členění zdrojů IZ •

Podle způsobu vzniku – radionuklidové x aparaturní zdroje – přírodní x umělé

přírodní RN

aparaturní zdroje

• •

Podle „rizik“ (energie / vydatnosti / technické provedení …) členění dáno vyhláškou SÚJB 307/2002 Sb. Podle druhu emitovaných částic CNP, zimní semestr 2009

7

Zdroje ionizujícího záření Členění zdrojů IZ podle druhu emitovaných částic (I) •

Z elektromagnetického záření (fotonů) γ zářiče, např. 241Am, 109Cd, 60Co, 57Co, 137 Cs, 192Ir RTG záření (RTG lampy, urychlovače elektronů)

•

Z elektronů (β-) RN emitující β- částice, např. 90Sr/90Y, 3H, 147Pm urychlovače elektronů

•

Z pozitronů (β+) RN emitující β+ částice, např. 22Na, 68Ge

CNP, zimní semestr 2009

43

8

Zdroje ionizujícího záření Členění zdrojů IZ podle druhu emitovaných částic (II) •

Z těžkých částic (zejména α) RN emitující alfa jádra, např. 210Po, 226Ra, 238Pu, 239Pu, 241Am urychlovače

•

Z neutronové (α,n) zdroje, např. 241Am(α,n)Be9 nebo 239Pu (α,n)Be9 zdroje samovolné štěpení, 252Cf neutronové generátory, např. 3H(d,n)4He jaderný reaktor

CNP, zimní semestr 2009

9

Zdroje ionizujícího záření Zprošťovací úroveň jsou takové hodnoty aktivity a hmotnostní aktivity v drţbě jedné osoby pro určitou (jednu) radiační činnost, které ještě nepodléhají povolovacímu reţimu; pro směs RA látek se prokazuje jako součet podílů aktivit a zprošťovacích úrovní, který musí být ≤ 1 (váţená hodnota). Tabulky zprošťovacích úrovní jsou v příloze 1 vyhlášky 307/2002 Sb., např. pro Co-60 je to A = 105 Bq a Am = 104 Bq/kg, pro Cs-137 je to A = 104 Bq a Am = 104 Bq/kg.

Uvolňovací úroveň jsou takové hodnoty hmotnostní aktivity, které mohou být uváděny do ŢP bez povolení, úrovně jsou stanoveny pro 4 kategorie radiotoxicity Tabulky uvolňovacích úrovní jsou v příloze č. 2 vyhlášky 307/2002 Sb.

CNP, zimní semestr 2009

44

12

Zdroje ionizujícího záření Členění zdrojů IZ podle „rizik“ (I) Vyhláška SÚJB č. 307/2002 Sb. o radiační ochraně •

Příkon dávkového ekvivalentu

•

Technické úpravy a provedení

•

Aktivita a hmotnostní aktivita

•

Možnost úniku rn do okolí

•

Možnosti vzniku RA odpadů a způsobu nakládání s nimi

•

Typický způsob nakládání

•

Ohrožení z předvídatelných poruch a odchylek

•

Rizika radiační nehody anebo havárie, jejich závažnosti a možnosti zásahu CNP, zimní semestr 2009

14

Zdroje ionizujícího záření Členění zdrojů IZ podle „rizik“ (II) Vyhláška SÚJB č. 307/2002 Sb. o radiační ochraně •

Nevýznamné

•

Drobné

•

Jednoduché

•

Významné

•

Velmi významné

CNP, zimní semestr 2009

45

15

Zdroje ionizujícího záření Příklady zdrojů dle Vyhlášky SÚJB č. 307/2002 Sb. •

Nevýznamné: autonomní požární hlásiče (ionizační, bez zářiče)

•

Drobné: požární hlásiče se zářičem (neautonomní)

•

Jednoduché: rtg zubní a stacionární kabinové, hladinoměry …

•

Významné: mobilní defektoskopie

•

Velmi významné: jaderný reaktor

CNP, zimní semestr 2009

17

Zdroje ionizujícího záření Nevýznamné: autonomní požární hlásiče (ionizační, bez zářiče) •

RA látka s aktivitou ≤ zprošťovací úroveň (jak pro A, tak pro Am)

•

uzavřený RN zářič (URZ) s aktivitou ≤ 10 * zprošťovací úroveň (A, Am)

•

materiál kontaminovaný RN pocházející z povoleného uvádění RN do ŢP

•

el. zařízení emitující IZ, avšak s napětím ≤ 5 kV

•

katodová trubice (nebo jiné el. zařízení) pracující s napětím ≤ 30 kV, kdy PDE ve vzdálenosti 0,1 m od kaţdého místa povrchu je < 1 mikroSv/h

•

zařízení obsahující URZ, typově schválené pro daný účel, kdy PDE ve vzdálenosti 0,1 m od kaţdého místa povrchu je < 1 mikroSv/h

•

spotřební výrobek (např. ionizační hlásič), který ještě nespadá do kategorie drobný zdroj

CNP, zimní semestr 2009

46

18

Zdroje ionizujícího záření Drobné: požární hlásiče se zářičem (neautonomní) •

otevřený RZ, který není nevýznamný, s aktivitou ≤ 10 * zprošťovací úroveň (A, Am)

•

URZ, který není nevýznamný, jehoţ aktivita < 100 * zprošťovací úroveň pro dlouhodobé α (včetně α-n zdroje) a < 1000 * zprošťovací úroveň pro ostatní RN

•

zařízení obsahující URZ, které není nevýznamné, kdy PDE ve vzdálenosti 0,1 m od kaţdého místa povrchu je < 1 mikroSv/h, z výjimkou místa, kde se pracuje výhradně rukama, kde PDE ≤ 250 mikroSv/h

•

ionizační hlásiče, u nichţ je součet aktivit > 10 * zprošťovací úroveň pro jednu budovu a jednoho drţitele.

•

generátor záření (> 5 kV), který není nevýznamný, kdy PDE ve vzdálenosti 0,1 m od kaţdého přístupného místa povrchu je < 1 mikroSv/h, z výjimkou místa, kde se pracuje výhradně rukama, kde PDE ≤ 250 mikroSv/h CNP, zimní semestr 2009

19

Zdroje ionizujícího záření Jednoduché: rtg zubní a stacionární kabinové, hladinoměry … •

Jsou všechny zdroje, které nejsou ani nevýznamné, ani drobné, ani významné ani velmi významné Zjednodušeně lze říci, ţe to nejsou zde vyjmenovaná zařízení – významný a velmi významný zdroj, a zároveň takové zdroje překračují hodnoty (limity) stanovené pro drobné zdroje

CNP, zimní semestr 2009

47

20

Zdroje ionizujícího záření Významné: mobilní defektoskopie •

generátor záření určený k radioterapii nebo radiodiagnostice vyjma kostních densitometrů, kabinových RTG a zubních RTG

•

urychlovač částic

•

zdroj IZ určený k radioterapii pomocí těţkých částic (p, n, …)

•

zařízení obsahující URZ, určené k radioterapii

•

radionuklidový ozařovač pro ozařování potravin a surovin

•

mobilní defektoskop s URZ

•

vysokoaktivní zářič, tj. takový, kde A > 1/100 hodnoty A1 (2*1010 pro Cs-137, 4*109 pro Co-60, 1*1010 pro Ir-192, 2*109 pro Ra-226, je to příloha č. 14 vyhlášky 307/2002 Sb.) CNP, zimní semestr 2009

21

Velmi významné: jaderný reaktor

Je potřeba se zde rovněţ zabývat izotropními a homogenními zdroji emitujícími fotony nebo neutrony do celého prostorového úhlu 4. Geometricky se budeme zabývat popisy těchto zdrojů (bodovým zdrojem o aktivitě „A“ v jednotce Bq a s emisí „S“ v jednotce s –1 jsme se jiţ zabývali): lineární (délkový) zdroj s délkovou aktivitou „AL“ (jednotka Bqm zdroje „SL“ (jednotka m –1s –1) plošný zdroj s plošnou aktivitou „AP“ (jednotka Bqm (jednotka m –2s –1)

–2

–1

) a délkovou emisí

) a plošnou emisí zdroje „SP“

objemový zdroj s objemovou aktivitou „AV“ (jednotka Bqm –3) a objemovou emisí zdroje „SV“ (jednotka m –3s –1) Lineární zdroje Pokud je zdroj bez stínění, pak jeho hustota toku  = SL *  / (4a) a příkon kermy 48

K/t = AL *  *  / a, kde „a“ je kolmá vzdálenost detektoru od zdroje a „“ je úhel pod kterým je úhel, pod kterým je z detektoru vidět délka zdroje „x“. Pokud záření z lineárního zdroje prochází vrstvou materiálu o tloušťce „b“ a nekonečné ploše, je pak hustota toku  = F * SL / (4a) kde „F“ je integrál funkce e - *b*sec přes úhel „“. Někdy je pro „F“ pouţít aproximativních výrazů a to kdyţ „“ a „b“ jsou malá F   * e -b a pro případy, kdy „b“ je velké, pak F  1,2 * e -b / 

Plošné zdroje Nejtypičtějšími formami plošných zdrojů jsou kruhové nebo obdélníkové. Pro kruhový zdroj bez stínění platí

 = (SP / 2) * ln sec 

kde „“ je opět úhel, pod kterým detektor vidí poloměr zdroje.

Pro stíněný kruhový zdroj materiálem o tloušťce „b“ platí

 = (SP / 2) * F,

kde funkce „F“ je integrálem funkce e -*b*sec / bsec .

49

Pro nestíněný obdélníkový zdroj platí

 = (SP / 4) * f ,

kde funkce „f“ je závislá na vzdálenosti detektoru od zdroje „a“ , rozměrech zdroje („x“, „h“) pro poměry m = x/a a n = h / x .

Obdélníkový zdroj stíněný vrstvou matriálu o tloušťce „b“ se počítá podle vztahu

 = (SP / 4) * f * F ,

kde funkce „F“ navíc obsahuje nezávislou „b“. Součin „f * F“ bývá tabelován v závislosti na vzdálenosti zdroje od detektoru „a“, rozměrech zdroje („x“, „h“), tloušťce stínění „b“ a zeslabovacím koeficientem „“, který je, jak známo, sám závislý na energii záření a typu stínícího materiálu.

Objemové zdroje záření

V tomto případě je nutno namodelovat několik standardních tvarů, které se pouţívají v praxi k výrobě zdrojů ionizujícího záření. Jsou to

-

deska konečné tloušťky nekonečného rozměru poloprostor vyplněný radionuklidem válcový tvar kulový tvar

Pro hustotu toku zdroje ve tvaru desky o tloušťce „h“ ve vzdálenosti „a“ od detektoru stíněného rovnoběţnou vrstvou jiného materiálu o tloušťce „b“ dostaneme výraz

 = (SV / 2s) * F,

50

kde „s“ je koeficient zeslabení ve vlastním zdroji. Funkce „F“ je integrálem přes celou tloušťku „h“ a nekonečnou velikost zdroje a tento integrál obsahuje koeficient zeslabení „“ v tloušťce „b“ stínícího materiálu a konečně také vzdálenost detektoru od zdroje „a“.

Hustota toku válcového zdroje o poloměru „r“ a výšce „h“ ve vzdálenosti od detektoru „a“ obráceného k němu válcovou plochou a stíněného rovnoběţnou vrstvou materiálu o tloušťce „b“ se vypočítá podle vztahu

 = SV * (r / 2) * G,

kde funkce „G“ je tvořena trojným integrálem, který obsahuje oba koeficienty zeslabení „s“ a „“, výšku „h“, poloměr „r“, vzdálenost zdroje od detektoru „a“ a který je tabelován pro parametry „a / r“, „h / r“ a „s*r“.

Hustota toku stíněného válcového zdroje obráceného k detektoru svou podstavou se vypočítá podle vztahu

 = (SV / 2s) * G1,

kde funkce „G1“, závislá na poloměru „r“, výšce „h“, vzdálenosti „a“, tloušťce stínění „b“ a koeficientech zeslabení „s“ a „“ je rovněţ tabelovaná.

Posledním tvarem, kterého si povšimneme, je nestíněný kulový zdroj o poloměru „r“ ve vzdálenosti „a“ středu zdroje od detektoru. Pak

 = SV * (r / ) * H ,

kde funkce „H“ závislá na poměru „a/r“ a „S“ je rovněţ tabelována.

51

b) Dozimetrie se dále zabývá polem ionizujícího záření. Tvary a charakteristiky tohoto pole jsou důleţité pro další, v tomto poli se vyskytující, objekty, ať je to vzduch nebo jiné subjekty reagující s ionizujícím zářením. Základní veličinou pole je emise (tok) částic nebo energie, coţ lze povaţovat za celkové mnoţství částic nebo energie, které se dostane ze zdroje za jednotku času. Důleţité jsou rovněţ parametry popisující rozloţení pole záření v prostoru. Při úvaze o všesměrovosti záření se pole vztahuje k infinitezimálnímu objemu kulového tvaru. Pak se definují takové veličiny jako je fluence, hustota toku, radiance apod. Pole se uvaţují buď ve vakuu nebo v reálném prostředí. V tomto případě dochází k interakci ionizujícího záření s hmotou.

Nejobecnější veličinou charakterizující pole záření v prostoru je tok částic n = dN / dt kde „dN“ je přírůstek počtu částic za jednotku času „dt“. V tomto případě jde o emisi zdroje, tedy počet částic do celého prostoru „4“. Chceme-li popsat rozloţení pole záření, tedy počet částic, které prošly daným místem v prostoru, definujeme veličinu fluence  = dN / da, coţ je počet částic „dN“ na jednotku plochy „da“. Jednotkou je s-1. Změnu fluence „d“ za jednotku času „dt“ nebo tok částic „dn“ na jednotku plochy „da“ nazýváme příkon fluence nebo hustota toku částic.

VELIČINY CHARAKTERIZUJÍCÍ POLE ZÁŘENÍ V PROSTORU Nejobecnější veličinou je tok částic Ń = dN / dt další veličiny jsou úhlová hustota toku částic n = dn / d fluence  = dN / da příkon fluence  = d /dt nebo hustota toku částic  = dn / da radiance částic  = d / d obdobně pro energii částic tok energie r = dR / dt Fluence energie  = dR /da Příkon fluence energie  = d / dt Hustota toku energie  = dr / da Radiance energie  = d / d

52

Počet částic/fotonů dN, které vstoupily do koule s plošným obsahem da hlavního řezu Jednotka = reciproký metr čtverečný

Často však potřebujeme záření cíleně směrovat do určitého úhlu, či ho soustředit do určitého místa; záření do jiných směrů můţe být neţádoucí - rušivé či dokonce škodlivé a nebezpečné.  Elektromagnetická kolimace nabitých částic U korpuskulárního záření nabitých částic se vhodné směrování - kolimace - dá dosáhnout působením elektrických a magnetických polí, která silově působí na nabité částice. Dochází tím k vychylování směru paprsku, který můţeme cíleně nasměrovat do poţadovaného místa.  Mechanická absorpční kolimace záření Jednodušším způsobem, který zároveň funguje jak pro nabité částice, tak pro záření  a X, je však pouţití kolimátorů. Kolimátor je takové mechanické a geometrické uspořádání materiálů absorbujících daný druh záření, které propouští jen záření z určitých požadovaných směrů (úhlů), zatímco záření z jiných směrů absorbuje a nepropouští.

53

c) Dozimetrie se v neposlední řadě zabývá interakcí s hmotou. Interakce lze specifikovat jako celek, tj. bez zřetele na to, ke kterému procesu dochází, nebo pro jednotlivé typy interakce dané částice ionizujícího záření s daným materiálem samostatně. Interakci lze obecně definovat jako „pravděpodobnost“ jakékoliv reakce částice s hmotou. Tato interakce je tím silnější, čím větší je podíl pravděpodobnosti na jednu částici ionizujícího záření a na jednu částečku hmoty (tj. atom nebo jádro). V konečném důsledku je tedy efekt tím větší, čím větší je hustota částic záření nebo hustota částeček hmoty nebo obojí. Základní veličinou interakce ionizujícího záření s látkou je účinný průřez „“, jako podíl pravděpodobnosti interakce „p“ pro jednu částici terčového materiálu (atom, jádro, elektron) a fluence „“ =p/ v jednotkách „m2“ nebo ve starších jednotkách „barn“ kde 1b = 10-28 m2. •

VELIČINY INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S LÁTKOU účinný průřez =p/ lineární součinitel zeslabení  = (1 / ) * (d / dx) Hmotnostní součinitel zeslabení m =  /  lineární brzdnou schopnost S = -dE / dx lineárním přenosu energie L = LET = (dE / dx) Makroskopický účinný průřez Σ = n1 * σ1 + …+ nk * σk

Všechny veličiny dozimetrie se odvozují od sdělené energie „“, tj. energie, kterou ionizující záření předalo objemovému elementu látky „dm“, s kterou interreagovalo. Pak dávka „D“ D = d / dm Od „“ se liší veličina označená „EK“ a nazvaná součet počátečních kinetických energií všech nabitých částic ve hmotě uvolněných při interakci nenabitých částic s touto hmotou. Liší se zejména u vyšších počátečních energií elektronů, kde část energie se odnáší ve formě brzdného záření. Pak takovýto přenos energie nenabitých částic na částice nabité definuje veličina kerma „K“ K = dEK / dm U obou veličin (D i K) je jednotkou 1 Gy (Gray) s rozměrem J/kg. Dávka nebo kerma za jednotku času se nazývá dávkový nebo kermový příkon (Gy/s).

54

Prezentace přednášek a cvičení z dozimetrie (2011c)

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S LÁTKOU  rozlišovací schopnost lidských smyslů je o mnoho řádů nižší, než by bylo zapotřebí ke sledování dějů týkajících se ionizujícího záření (IZ) v mikrosvětě;  veškerá pozorování jsou proto nepřímá, na základě projevů interakce IZ s prostředím, kterým se toto záření šíří;  interakce IZ s látkou přitom představuje fyzikální základ detekce a dozimetrie záření, jeho aplikací, radiochemie a radiobiologie a ve svých důsledcích dává i soubor podkladů pro radiační ochranu;  odtud vyplývá i význam odpovídajícího fyzikálního popisu interakce i důležitost příslušných veličin. 17

JAKÉ VELIČINY dále POTŘEBUJEME? •

•

Atomová a jaderná fyzika: – zdroje ionizujícího záření – pole ionizujícího záření – interakce ionizujícího záření – dozimetrie Biofyzika, radiační ochrana: – účinky ionizujícího záření

55

ABSORBOVANÁ DÁVKA Poměr střední sdělené energie předané látce a hmotnosti

Jednotka GRAY [Gy] = joul na kilogram zvláštní název

dε D dm

1 rad = 0,01 Gy

31

VZTAH KERMA - DÁVKA

•

• •

Kerma K = dEk/dm – součet počátečních kinetických energií sekundárních nabitých částic dEk uvolněných interakcemi nepřímo ionizujícího záření s látkou v elementu hmotnosti dm Platí-li rovnováha sekundárních nabitých částic - kerma se číselně rovná absorbované dávce Tento fakt využívá dozimetrie jako základ řady detekčních metod a interpretačních postupů při hodnocení ozáření osob

56

DÁVKOVÝ EKVIVALENT Absorbovaná dávka (v bodě) násobená jakostním činitelem Q a dalšími modifikujícími činiteli N

Jednotka SIEVERT [Sv] = joul na kilogram zvláštní název

H  DQ N

1 rem = 0,01 Sv 33

JAKOSTNÍ ČINITEL Q

Pro lineární přenos energie L [keV/µm]: – méně než 10 Q= 1 – 10 až 100 Q = 0,32.L - 2,2 – více než 100 Q = 300.L-0,5

34

57

d) Dozimetrie se jako nejdůležitějším problémem zabývá interakcí s živou hmotou. Je to specifický případ interakce s hmotou a interferuje s oborem ochrany ţivotního prostředí. Ještě specifičtější je interakce s lidským organizmem, jíţ se zabývá „osobní dozimetrie“ (především pro pracovníky se zdroji ionizujícího záření), nebo „radiační kontrola okolí zdroje“ (zejména pro obyvatelstvo) anebo „klinická dozimetrie“ (ochrana pacientů i zdravotnického personálu při lékařských pouţitích ionizujícího záření). Ochrana před zářením, jak je zřejmé, má za úkol zabránit deterministickým účinkům ionizujícího záření (přímé, okamţité) a omezit stochastické účinky ionizujícího záření (pozdní, somatické i genetické). Nejlepší ochranou je nevystavit se zvýšenému poli ionizujícího záření. Protoţe v praxi to vţdy nejde, je nutno se bránit „aktivně“ tj. sníţením toku ionizujícího záření a jeho energie přímo u zdroje (např. sníţení aktivity radionuklidu, sníţením napětí a proudu na rentgence apod.) nebo „pasivně“ známými: časem, vzdáleností a stíněním. To lze učinit buď na základě výpočtu nebo lépe měřením dávek a energií ionizujícího záření.

EKVIVALENTNÍ DÁVKA Střední absorbovaná dávka v orgánu násobená radiačním váhovým faktorem

Jednotka SIEVERT [Sv] = joul na kilogram

HT , R  wR  DT , R

zvláštní název 1 rem = 0,01 Sv 35

58

RADIAČNÍ VÁHOVÉ FAKTORY wR ICRP 60 Typ záření, energie Fotony, všechny energie Elektrony a miony, všechny energie Protony, jiné než odražené Část.alfa, štěpné fragm., těžká jádra Neutrony: do 10 keV 10 – 100 keV 0,1 – 2 MeV 2 – 20 MeV nad 20 MeV

ICRP 103 wR Typ záření 1

wR

Fotony Elektrony a miony

1 5 Protony a nabité piony 20 Část.alfa,štěp.fragm.,těžké ionty Neutrony 5 10 20 10 5

1 1 2 20 funkce

EFEKTIVNÍ DÁVKA Součet ekvivalentních dávek v orgánech násobených tkáňovým váhovým faktorem

E   wT  H T T

Jednotka SIEVERT [Sv] = joul na kilogram zvláštní název 1 rem = 0,01 Sv

37

59

Tkáň

plíce žaludek tračník kostní dřeň prsa zbytek těla gonády – vaječníky, varlata štítná žláza jícen močový měchýř játra kostní povrch kůže mozek slinné žlázy ZBYTEK=nadledvinky,ET,žlučník, srdce, ledviny,lymf.uzliny,svalstvo,ústní sliz., slinivka, prostata, tenké stř.,slezina, brzlík,hrdlo dělohy

Tkáňový váhový faktor wT 1977 Publikace 26

1991 Publikace 60

2007 Publikace 103

0,12

0,12 0,12 0,12 0,12 0,05 0,05 0,20 0,05 0,05 0,05 0,05 0,01 0,01

0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,08 0,04 0,04 0,04 0,04 0,01 0,01 0,01 0,01

0,12 0,15 0,30 0,25 0,03

0,03

Vnější ozáření EFEKTIVNÍ DÁVKA E (Sv): součet součinů ekvivalentních dávek HT v jednotlivých orgánech a odpovídajícího tkáňového radiačního faktoru wT

Příklad: Jaké efektivní dávce odpovídá ozáření kůže ekvivalentní dávkou 100 mSv ? - ostatní tkáně a orgány nebyly ozářeny E = wkůže.Hkůže = 0,01.100 mSv = 1 mSv

60

Vnitřní ozáření • Příjem - přijatá aktivita • Úvazek efektivní (ekvivalentní) dávky – integrál příkonu efektivní (ekvivalentní) dávky po určitou dobu od příjmu, • Doba: – 50 let od příjmu u dospělých – 70 let věku u dětí 40

VNITŘNÍ OZÁŘENÍ ÚVAZEK EFEKTIVNÍ DÁVKY Eτ (Sv):

požití

vyjadřuje míru vnitřního ozáření po příjmu radionuklidu(ů) Pro způsob příjmu (požití nebo vdechnutí) a pro různé věkové kategorie jsou z modelů zažívacího a dýchacího ústrojí odvozeny a tabelovány hodnoty úvazku připadající na jednotku přijaté aktivity. Příklad: Houbař zjistil, že za sezónu snědl cca 10 kg čerstvých hub, u kterých byla zjištěna hmotnostní aktivita 137Cs 80 Bq/kg. Stanovte E τ, víte-li, že příjmu 1 Bq požitím odpovídá 1,3.10-8 Sv Celkem požitá aktivita ... 10 kg x 80 Bq → 800 Bq E τ = 800 Bq. 1,3.10 -8 Sv/Bq = 10 -5 Sv = 10 µSv = 0,01 mSv

61

vdechnutí

KOLEKTIVNÍ DÁVKA Součet efektivních dávek ve skupině osob

S   Ei  N i i

Jednotka SIEVERT [Sv] = joul na kilogram jen zvláštní název ? man-Sv ? 1 rem = 0,01 Sv 42

2.4. Obory dozimetrie Řetězec můţe nabývat tohoto tvaru zejména v případě kognitivní vědy „jakoţto mezioborové vědy studující mysl a procesy v ní procházející (Wikipedia)“. Můţe se dotýkat i dozimetrie vycházejících z těchto vědních oborů. Dozimetrie není, ať uţ v teoretické nebo experimentální formě, jednotným oborem, ale dělí se podle experimentálních metod objektů zájmů ve výzkumu systémů měření teoretických metod vlivu ionizujícího záření na hmotu vyuţití oboru (subjektů výzkumu) zdrojů ionizujícího záření apod. Vyuţití oboru se týká zejména při výzkumu o ţivé hmotě a to v té nejvyšší formě – o člověku. Podle typu osob, kterých se to týká (zejména při měření) lze dozimetrii rozdělit na subdisciplíny osobní dozimetrii – dozimetrie pracovníků se zdroji ionizujícího záření vnější dozimetrii – dozimetrie obyvatelstva klinickou dozimetrii – dozimetrie ozařovaných pacientů Objektem zájmu ve výzkumu dozimetrie jsou zákonitosti interakce záření s hmotou, veličiny a jednotky těchto zákonitostí, výrobní (zdroje ionizujícího záření) a měřící zařízení aj.

62

2.4.1. Osobní dozimetrie Účelem tohoto příspěvku bylo zváţit metodu „kurikulárního procesu interdisciplinárního oboru“, jakým dozimetrie ionizujícího záření bezesporu je. Mými předchůdci byla prostudována didaktická komunikace oboru fyzika a jeho kurikulární proces, coţ je u interdisciplinárního oboru sestávajícího z matematiky, fyziky, chemie, biologie (medicíny), elektroniky aj.pouţití transformací T1 aţ T5 sloţitější. Některá z těchto transformací můţe totiţ chybět zejména tam, kde se nepouţívá vědeckého systému ale technických pomůcek (např. v elektronice aj.). Proto, jak se domnívám, je vhodné pouţít modelu lineárního pořadí (viz Singer 2009) s přístupovými informacemi a s odbočkovými výstupy. V této práci jsou do hloubky analyzovány jednotlivé části modelu lineárního pořadí (Singer 2009) na specifickém příkladě z výzkumné dozimetrické praxe. Byla analyzována a hodnocena experimentální data v prvních třech stupních uvedeného modelu. Měření 1→ → 2→ → 3→ → 4→ → .→ → .→ → .→ → n→→

┐ ┐ Výsledek tabulka → Výsledek obrázek 1 → Výsledek obrázek 2 → Výsledek obrázek 3 → ┘ ┘

┐ Hodnocení ┘ ┘

Je zřejmé, ţe v uvedeném příkladu (ale také obecně) se lineární systém od 1. do 3. stupně zuţuje tj. z velkého počtu měření (1 aţ n) je nakonec jednotné hodnocení.

OD ODEZVY DETEKTORU K HLEDANÉ VELIČINĚ

Odezva detektoru je v jistém vztahu k: - počtu částic/kvant dopadlých do citlivého objemu detektoru - množství energie dopadlé/sdělené citlivému objemu detektoru V I. případě můžeme získat informaci o poli IZ: • energetická, úhlová distribuce, • pomocí fantomů/modelů vypočítat distribuci dávky, či jiné dozimetrické veličiny Ve II. případě lze nalézt přímý vztah k dávce a vhodnou simulací „tkáni-ekvivalence“ • získat odhad absorbované, ekvivalentní, efektivní dávky 66

63

OD ODEZVY DETEKTORU K HLEDANÉ VELIČINĚ • Ideál: časo – prostorová distribuce v každém bodě těla; • Reál: – vnější ozáření • měření prostředí – fluence, spektra – odhad modely distribuce energie IZ v těl • měření osobním dozimetrem – odhad modelem distribuce dávky (geometrie ozáření)

– vnitřní ozáření – celotělové měření, měření exkretů – modely

• Problémy: – dozimetr neměří dávku, když ano, tak ne tam, kde to potřebuji, – pole IZ jsou zpravidla složena z více než jednoho typu záření, o různé energii a šíří se ne v jednoduché geometrii 67

Jak měřit ozáření osob? • Přímé měření – osobní dozimetrie – Vnější ozáření – osobní dozimetry – Vnitřní ozáření – celotělové detektory, detektory ozáření orgánů, in vitro měření exkrece

• Nepřímé měření – Monitorování pracoviště, prostředí, výpustí – Modely

64

Jak měřit ozáření osob? Vnější ozáření: • Je-li osobní dozimetr – informace v místě detektoru – za standardních podmínek – předpoklad o geometrii ozáření – model – odhad dávky – v případě nehody – údaj dozimetru je podkladem k rekonstrukci geometrie a časové distribuce ozáření - model - odhad dávky

• •

Není-li osobní dozimetr – údaje o monitorování pracoviště, rekonsturce události - modely – odhad dávky Vnitřní ozáření – celotělové detektory, detektory ozáření orgánů, in vitro měření exkrece – rekonstrukce příjmu, - model - odhad dávkového úvazku

MĚŘITELNOST Biofyzikální veličiny (H, E, S) NELZE měřit !  modely lidského těla - ICRU koule, válec, matematické fantomy, „voxel – type“ fantomy Odhady na základě jiných veličin:  osobní dávkový ekvivalent (v hloubce d) - dávka pod povrchem - d = 10 mm  dávka v kůži - d = 0,07 mm  prostorový a směrový dávkový ekvivalent

70

65

MATEMATICKÉ FANTOMY • Dříve: jednoduchý geometrický tvar – ICRP koule, Snyderův válec, pak antropomorfní, matematický fantom - hermafrodit (MIRD) • Nyní: voxelový fantom dle CT dat, ~106 jednotek, 140 orgánů a tkání, shoda s Reference Man -

dospělý muž a žena, děti různého stáří • Dříve: E = h . I • Nyní: E = e(τ) . I e(τ) = Σ wT [hTM(τ) + hTF(τ)]/2

FANTOMY Výpočty efektivních dávek a dávek v orgánech se počítaly pomocí matematického model referenčního dospělého člověka (hermafrodita): •celková hmotnost 70 kg ; •hmotnost orgánů: mozek 1,4 kg, ledviny 0,31 kg, játra 1,8 kg, plíce 1 kg, štítná žláza 0,02 kg ; •dávky se počítají pomocí modelů: – distribuce energie záření v daném objektu pro danou geometrii ozáření - v případě zevního ozáření, – distribuce a kinetiky radiofarmak v daném orgánu - v případě vnitřního ozáření (s využitím získaných dat); výsledkem jsou střední dávky v orgánech vztažené na 1 MBq aktivity aplikovaného radiofarmaka.

66

„Voxel – type“ fantom (ICRP, 2009)

• fantom vychází z digitálního zobrazení CT/NMR • respektuje pohlaví , věk • využití pro modely vnitřního ozáření (nukleární medicína), neutrony • referenční orgány.

2.4.2. Prezentace přednášek a cvičení z osobní dozimetrie (Singer 2006) Nejstarším prostředkem k zaznamenávání ionizujícího záření je film a pouţívá se jiţ od 19tého století. Dozimetrický film je v kazetě v papírovém obalu. Po ozáření dozimetru vzniká interakcí elektronu s halogenidem stříbra a vyredukováním černého amorfního kovového stříbra zčernání filmu. Obraz, který je odrazem této interakce se více zviditelní vyvolávacím procesem.. Fotonové záření gama nebo X nereaguje přímo s halogenidem stříbra, ale prostřednictvím sekundárních elektronů, vznikajících v ţelatině nebo v papírovém obalu nebo jinde v okolí. Probíhají zde tři známé procesy: fotoefekt, Comptonův efekt a tvorba párů. Účinnost vzniku sekundárních elektronů se řídí absorpčními účinnými průřezy těchto procesů označované , abs, . Závisí rovněţ na okolním absorpčním prostředí jako je tloušťka emulse a papírového obalu, přítomnosti kovových filtrů, lidského těla apod. S ohledem na to ţe s energií fotonů a elektronů se účinnost detekce mění, je také zčernání závislé na energii záření a směru jeho dopadu.

67

Filmový dozimetr Závislost optické hustoty na dávce je různá podle druhu emulse filmu, koncentrace halogenidu stříbra v ţelatině, velikosti a tvaru krystalků tohoto halogenidu apod. Také závisí na vyvolávacím procesu tj. koncentraci a teplotě vývojky, době vyvolávání a v neposlední řadě také na optickém denzitometru, kterým se měří zčernání filmu. Nejlepší denzitometry jsou schopny měřit aţ do hodnot OD = 5 až 6. Optimální vyvolávací proces s dobrým filmem můţe způsobit linearitu této závislosti aţ do OD = 1, pak je závislost dána vzorcem OD = k * a2 * N * d kde „a“ je plocha měření denzitometrem, „N“ počet krystalků na 1 cm2, „k“ je numerická konstanta a „d“ je dávka. Vyšší hodnoty se pak řídí vztahem OD = k * a * N * (1 – e-ad)

Obr. Filmový dozimetr (kazeta a film) a termoluminiscenční dozimetr

Dalším osobním dozimetrem je termoluminiscenční dozimetr (termoluminiscenční kazeta je na předešlém obrázku ve spodní části). Proces interakce ionizujícího záření a vznik termoluminiscence se v detektoru řídí „elektrokinetickým pásmovým modelem“. V tomto případě, sekundární elektrony, které obdrţely kinetickou energii od záření gama nebo beta přecházejí z VALENČNÍHO pásma do pásma VODIVOSTNÍHO, kde se neudrţí a jsou zachyceny některými ze „ZÁCHYTNÝCH PASTÍ“, které v detektorů vznikají v přítomnosti příměsí kovů, např. Mn, Dy apod. Po zahřátí detektoru se z těchto „pastí“ s vyšší potenciální energií elektrony uvolní a přeskočí do „pastí“ s niţší potenciální energií. Tímto přeskokem

68

elektrony ztrácejí část své potenciální energie a ta je vyzařovaná z detektoru ve formě viditelného světla (obvykle modrozeleného). Teplota, při které se světlo uvolňuje, závisí na rozdílu potenciálních energií uvedených „pastí“ a mnoţství vyzářeného luminiscenčního světla úměrné dávce ionizujícího záření. Termoluminiscenční dozimetr Proces interakce ionizujícího záření a vznik termoluminiscence se v detektoru řídí „elektrokinetickým pásmovým modelem“. V tomto případě, sekundární elektrony, které obdrţely kinetickou energii od záření gama nebo beta přecházejí z VALENČNÍHO pásma do pásma VODIVOSTNÍHO, kde se neudrţí a jsou zachyceny některými ze „ZÁCHYTNÝCH PASTÍ“, které v detektorů vznikají v přítomnosti příměsí kovů, např. Mn, Dy apod. Po zahřátí detektoru se z těchto „pastí“ s vyšší potenciální energií elektrony uvolní a přeskočí do „pastí“ s niţší potenciální energií. Tímto přeskokem elektrony ztrácejí část své potenciální energie a ta je vyzařovaná z detektoru ve formě viditelného světla (obvykle modrozeleného). Teplota, při které se světlo uvolňuje závisí na rozdílu potenciálních energií uvedených „pastí“.

Poţadavek na tkáně ekvivalentní osobní dozimetr, kde fE je energetická závislost veličiny v závorce [ ]. fE [OD / d] = fE [H(10) / d] nebo fE [H(0,07) / d]

69

Jako neutronový dozimetr se u nás pouţívá stopový detektor v pevné fázi. Stopový detektor je pevné dielektrikum, kdy nabité ionty jako protony, alfa částice nebo ionty s vyšším atomovým číslem při průchodu tímto materiálem předávají energii (E) podle dráhy letu (x) atomům tohoto materiálu, ionizují je a vytvářejí stopy. Stopy mají v průměru nanometry a je nutno je leptáním zvětšit tak, aby byly viditelné aspoň pod mikroskopem. Čím je částice větší, má větší náboj, předává na jednotku dráhy více energie LET = dE / dx pak jsou stopy větší a lépe leptatelné. Proto jsou nejvhodnější k vytváření stop štěpné fragmenty, které vznikají štěpením U – 235 a Th Vyleptané – 232. stopy Počet stopfragmentů pak jez úměrný dávce od neutronů, koncentraci atomů štěpných U-235 štěpitelného materiálu a energetickému spektru neutronů.

ve slídě

v triacetátu celulózy

ve skle

70

Neutronový stopový detektor Leptací zařízení

Počet stop (N) je úměrný dávce od neutronů (d), koncentraci atomů štěpitelného materiálu (c) a energetickému spektru podle vzorce N = k * f * c * d kde „k“ je numerická konstanta a „f“ je účinný průřez štěpení daného štěpitelného materiálu neutrony daného spektra N = k * σf * a * d kde „a“ je plocha elektrody jiskrového počítače

2.4.3. Detektory aktivity Vyuţívá se ionizačních účinků záření v plynech. Vnikne-li částice záření do detektoru, ionizuje podél své dráhy plynovou náplň a vzniká mnoho kladných iontů a elektronů. Ty se rychle pohybují k příslušné elektrodě a plynová náplň se na okamţik stane vodivá. Kaţdá částice tak vyvolá krátký proudový impuls. Ten je ještě v samotném detektoru zesílen, protoţe

71

nesymetrická konstrukce elektrod vytváří v blízkosti anody velmi intenzivní elektrické pole. V něm se elektrony urychlí natolik, ţe samy vyvolávají další ionizaci plynu.

IONIZAČNÍ DETEKTORY

• • •

detektory založené na ionizačním principu – v citlivém objemu detektoru mezi elektrodami, které jsou pod napětí vznikají ionty; podle svého náboje se pohybují směrem k příslušné elektrodě, ale i zanikají (rekombinace); do určité hodnoty napětí roste ionizační proud; při vyšším napětí všechny ionty se účastní vedení proudu a ionizační proud je nezávislý na napětí závisí na fluenci IZ, za určitých podmínek na energii IZ sdělené v objemu detektoru. 47

DETEKTORY PLNĚNÉ PLYNEM (2) ionizační komory

72

Pomocí kalorimetrů lze měřit tepelné efekty různých fyzikálních, chemických nebo biologických pochodů. V oblasti ionizujícího záření je známo, ţe téměř všechna kinetická energie ionizujícího záření částic se přemění v teplo. Podstata stanovení aktivity pomocí kalorimetrů spočívá v tom, ţe energie, uvolněná při radioaktivním rozpadu, se plně nebo částečně pohltí v absorbátoru kalorimetru. Na základě měření tepelné energie QT lze potom určit aktivitu. Často se místo tepelné energie měří tepelný výkon. Kalorimetrické metody se málo rozšířily a to zejména pro jejich nízkou citlivost. Metoda umoţňuje měření aktivity radionuklidů o aktivitě vyšší neţ 10 MBq.

Funkce polovodičových detektorů je zaloţena na elektrických vlastnostech p/n rozhraní. Detektor je tvořen křemíkem nebo germaniem typu p nebo n, na němţ je vytvořena vrstva polovodivého materiálu opačného typu. Vloţí-li se na detektor vysoké napětí tak, ţe záporná polarita je připojena k materiálu p a kladná k n, migrují volné nosiče náboje vlivem elektrického proudu k příslušným elektrodám. Na rozhraní p/n tím vzniká určitý prostor s vysokým odporem, protoţe je v něm velmi malá koncentrace volných nosičů náboje. Vnikne-li částice záření do citlivé oblasti, vytvoří ionizací podél své dráhy páry elektron-díra. Takto vzniklé nosiče migrují k příslušným elektrodám, coţ se projeví, podobně jako u plynových detektorů, vznikem krátkého proudového impulsu, který se opět převádí na puls napěťový.

Scintilační detektory ionizujícího záření jsou zaloţeny na vlastnosti některých látek reagovat světelnými záblesky (scintilacemi) na pohlcení kvant ionizujícího záření. Ty se pak elektronicky registrují pomocí fotonásobičů. Velikost výstupního impulzu je přímo úměrná energii dopadajícího záření. Látky vykazující takovou vlastnost se nazývají scintilátory. Nejstarším pouţívaným scintilátorem je sirník zinečnatý aktivovaný stříbrem ZnS(Ag), který byl pouţíván do stínítek skiaskopických rentgenových přístrojů. Pro účely detekce záření se však nejčastěji pouţívá jodid sodný aktivovaný thaliem – NaI(Tl), ve formě monokrystalu.

SCINTILAČNÍ DETEKTORY

• scintilační detektory – ionizací uvolněný elektron může mít dostatečně vysokou energii, aby přeskočil do prázdného vodivostního pásma atomu, je zachycen luminiscenčním centrem na vyšší energetické hladině (vzbuzený stav); při přechodu na hladinu nižší nastane emise luminiscenčního (fluorescenčního) záření; fluorescenční záření se pak elektronicky registrují pomocí fotonásobičů a dále zpracovává. 52

73

Přesné změření aktivity beta-radioaktivního preparátu, zvláště pak nízkoenergetického záření beta, je velice obtíţné. V tomto případě se vyuţívá metoda kapalných scintilátorů. Při práci s kapalnými scintilátory se měřená radioaktivní látka přidává přímo do roztoku scintilátoru. Energie záření beta je předávána nejprve molekulám rozpouštědla. Excitační energie těchto molekul se pak přenáší na molekuly vlastní scintilační látky, které při deexcitaci emitují fotony viditelného světla. Úlohu registrace a zesílení signálu pak opět přebírá fotonásobič. 2.4.4. Princip mnohakanálového analyzátoru Jako detektory pro gama záření se pouţívají scintilační NaI(Tl) nebo polovodičové s velmi čistého Ge (značené HPGe). Pokud se měří jednotlivé radionuklidy má větší význam scintilační detektor, který při větších rozměrech (aţ stovky mm) má vysokou účinnost. Germaniový detektor je vhodnější pro směs radionuklidů, např. v jaderných elektrárnách, protoţe má vysokou rozlišovací schopnost pod 2 keV v oblasti energií kolem 1,3 MeV a pod 1 keV v oblasti energií kolem 120 keV. Detektory pro stanovení záření alfa jsou také obvykle polovodičové „Křemíkové detektory s povrchovou bariérou“ nebo „Pasivně implantované planární křemíkové detektory“. Ty jsou uzavřeny ve komůrkách, do nichţ se vkládají také měřené vzorky. Tyto komůrky se odvzdušňují na hluboké vakuum, aby absorpce záření alfa byla minimální.

POLOVODIČOVÉ DETEKTORY Fotony gama vytvářejí v polovodivém materiálu (např. velmi čisté germanium) nosiče proudu a tím napěťový impuls na výstupu z detektoru

Masivní Fe nebo Pb stínění

Vzorek

74

I. Celotělový počítač (CTP) – gama spektrometr s polovodičovým detektorem pro měření „in vivo“ II. Scintilační spektrometr s detektorem NaI(Tl) pro měření „in vivo“ III. Spektrometr alfa s polovodičovým detektorem pro měření exkretů IV. Spektrometr gama s polovodičovým detektorem pro měření exkretů V. Kapalinový scintilační měřič beta exkretů VI. Scintilační a proporcionální měřič záření beta v exkretech

Princip spektrometrického zařízení pro Celotělový počítač

Lineární elektronika umoţňuje pomocí HVPS přivést vysoké napětí na scintilační detektor (aţ 2 kV), na germaniový detektor aţ 6 kV nebo pomocí napáječe nízké napětí do 48 V na křemíkový detektor pro záření alfa. Další moduly lineární elektroniky umoţňují vyvést a zpracovat signál z detektoru. Předzesilovače jsou dnes jiţ pevnou součástí detektoru a spolu

75

se zesilovačem formují a zesilují analogový signál detektoru tak, aby mohl být převeden na digitální impuls. Zesilování je ve skutečnosti pouze jedna z rolí spektroskopického zesilovače. Dalším úkolem je konverze výstupních signálů předzesilovače na formu potřebnou k dalšímu zpracování. „Schodový“ signál předzesilovače převádí na tzv. „dlouho-ocasé“ diferenciální pulsy a upravuje na integrální „Gaussovsko-trojúhelníkové“ signály, oboje pomocí elektronických RC filtrů. Nejzákladnější nastavitelné parametry spektrometrických zesilovačů jsou: ziskový faktor (GAIN FACTOR), doba utváření (SHIPING TIME) a další. Analogově – digitální převodník generuje z analogového signálu digitální impuls, jehoţ amplituda je úměrná velikosti vstupního signálu a tudíţ energii měřeného ionizujícího záření. Důleţitými nastavitelnými charakteristikami tohoto převodníku jsou rozlišení (RESOLUTION), konversní zisk (CONVERSION GAIN), spodní a horní diskriminace (Low Level a Upper Level Discrimination) a „mrtvá doba“ (DEAD TIME), coţ je doba mezi dvěma impulsy, kdy nelze další signál přijmout. Rozlišení je vlastně velikost „rozdělení“ celého energetického spektra na určitý počet kanálů. Pro Ge detektor je potřeba 16384 kanálů, pro scintilační nebo Si detektor postačuje 8192 aţ po 512 kanálů. Mnohakanálový analyzátor je srdcem celého systému a má za úkol sbírat data z převodníků, ukládat je do patřičných kanálů, z toho vytvářet a dále zpracovávat spektrum energií ionizujícího záření. Obvykle mívá 16384 ale i 32768 kanálů a mohou být k němu připojeny 2 aţ 4 převodníky. Nejmodernější analyzátory jsou jiţ vestavěny do osobních počítačů formou desek a převodníky se připojují na jejich porty.

Výpočet osobní dávky od zevního a vnitřního ozáření H = H(10) + hing * Iing + hinh * Iinh q = k * f * I * exp –ln2*(t/T1ef + t/T2ef + … + t/Tnef) 1/Tef = 1/Tr + 1/Tb Energetická závislost detektoru HPGe

Tyto osobní počítače jsou schopny z naměřeného spektra určit hledané radionuklidy. Jsou programově vybaveny tak, ţe dovedou vypočítat aktivity radionuklidů deponované v těle nebo přímo v orgánu, jako např. I-131 ve štítné ţláze apod. Stanovení radionuklidů a jejich aktivit jsou nutnou podmínkou pro stanovení osobních dávek, ale nikoliv postačující, s ohledem na časovou závislost depozice a exkrece. Modely výpočtu osobních dávek jsou 76

konstruovány pro standardní dýchací a zaţívací trakt. Dávky se vypočítají z příjmu radionuklidů (označ. I ) jednoduchými konversními faktory , které jsou tabelovány. Jsou uvedeny např. v příloze naší vyhlášky „o radiační ochraně“. Podle toho, zda se jedná o příjem radionuklidů inhalací nebo ingescí, jsou konversní faktory v tabulkách označeny jako hinh nebo hing . Jsou uvedeny v jednotkách Sv/Bq. Celková dávka v člověku se pak vypočítá podle následujícího vzorce. H = H(10) + hing * Iing + hinh * Iinh Nejsloţitější je však prostřední fáze výpočtu tj. vyhodnocení příjmu z depozice nebo exkrece. Zde záleţí na časovém intervalu mezi měřením a příjmem a na způsobu příjmu (jednorázový nebo chronický). Při pravidelných měřících termínech a neznámé době příjmu se má za to, ţe příjem se uskutečnil v polovině měřícího intervalu. Závislost mnoţství deponovaného radionuklidu v orgánu, tkáni nebo v těle (označ. „q“) na příjmu (označ. „I“) je exponenciální. q = k * f * I * exp –ln2*(t/T1ef + t/T2ef + … + t/Tn ef). Konstanta „k“ ve vzorci je numerická, převodní, konstanta „f“ znamená frakci příjmu radionuklidu, která prochází daným dýchacím nebo zaţívacím traktem. Tef = 1/Tr + 1/Tb Konstanta „T(ef)“ je efektivní poločas, s jakým se mění depozice a exkrece. Skládá se z poločasu fyzikálního „T(r)“ rozpadu radionuklidu a z poločasu biologického „T(b)“, který je definován metabolickým a vylučovacím procesem. Pro daný nuklid můţe být můţe být i několik biologických poločasů pro depozice v různých orgánech a pro různou chemickou formu přijímané látky s radionuklidem. Poločasy i konstanty „f“ bývají tabelovány – i v příloze vyhlášky (SUJB 2002).

2.4.5. Referenční člověk V případě hodnocení zevního ozáření člověka stačí k standardizaci relativně jednoduchý fantom, pro případ vnitřního ozáření od radionuklidů v těle člověka tomu tak není. Je nutno vytvořit standardního člověka, který je průmětem všech lidí, se standardně velikými a hmotnými orgány a tkáněmi. Pokusy o výpočty takového standardního člověka byly zahájeny jiţ od roku 1949 a teprve v roce 1975 vydala Mezinárodní komise pro radiační ochranu svůj report, kde takový standard definuje (ICRP 1975).

77

Anatomické hodnoty standardního člověka I.

II

III. IV. V. VI

VII

VIII

IX. X. XI. XII.

Tělo Hmotnost (kg) Výška (m) Povrch (m2) Obsah vody (kg) Obsah krve (kg) Obsah tuku (kg) Kůţe Tloušťka (mm) z toho epidermis Hmotnost (kg) Vlasy Hmotnost (g) Nehty Hmotnost (g) Kostra Hmotnost celkem (kg) z toho červená kostní dřeň Slezina hmotnost (g) Lymfatické ţlázy Hmotnost celkem (kg) Kosterní svalstvo Hmotnost (kg) Srdce Hmotnost bez krve (g) Tepny Objem (dm3) Ţíly Objem (dm3) Jazyk Hmotnost (g) Ţaludek Hmotnost (g) Tenké střevo Délka (m) Horní tlusté střevo Délka (m) Dolní tlusté střevo Délka (m) Játra Hmotnost (kg) Slinivka Hmotnost (g) Hrtan a průdušnice Hmotnost (g) Průdušky a průdušinky Hmotnost (g) Plíce Hmotnost s krví a bez krve (kg) Ledviny Hmotnost obou (g) Močový měchýř Kapacita (dm3) a Hmotnost (g) Varlata (nebo Vaječníky) Hmotnost obou (g) Štítná ţláza Hmotnost (g) Mozek Hmotnost (kg) Mícha Hmotnost (g) a Délka (m) Oči Hmotnost obou (g) Oční čočka Tloušťka (mm) a Hmotnost (g)

78

70 1,7 1,8 4,2 5,5 13,5 1,3 0.07 2,6 20 8 10 1,5 180 1,5 28 330 1 3,2 70 150 5 0,75 0,85 1,8 100 28 a 10 30 1 a 0,44 310 0,5 a 45 35 (nebo 11) 20 1,4 30 a 0,45 15 4 a 0,4

Obsah prvků v těle standardního člověka

Kyslík Uhlík Vodík Dusík Vápník Fosfor Síra Draslík Sodík Chlor Hořčík Křemík Ţelezo Fluor Zinek Rubidium Stroncium Brom

Gram 43 000 16 000 7 000 1 800 1 000 780 140 140 100 95 19 18 4,2 2,6 2,3 0,32 0,32 0,20

Olovo Měď Hliník Kadmium Bor méně neţ Barium Cín méně neţ Jod Mangan Nikl Zlato méně neţ Molybden m. neţ Chrom méně neţ Cesium Kobalt Uran Berylium Radium

Mikrogram 120 000 120 000 72 000 61 000 48 000 22 000 17 000 13 000 12 000 10 000 10 000 9 300 1 800 1 500 1 500 90 36 0,000 03

Fyziologická data Standardního člověka I. Energetika Výdej energie (kcal/d) Metabolický výkon (cal/min-kg váhy) II. Respirační standardy Celková kapacita plic (dm3) Příjem vzduchu (m3/d) Inhalace kyslíku (g/d) Exhalace CO2 (g/d) III.Příjem potravy Voda (dm3/d) Uhlík (g/d) Vodík (g/d) Dusík (g/d) Kyslík (g/d) IV.Vylučování Stolice Hmotnost (g/d) Moč Objem (dm3/d) a měrná hmotnost (kg/dm3) Kyslík Stolice a Moč (g/d) Vodík Stolice a Moč (g/d) Uhlík Stolice a Moč (g/d) Dusík Stolice a Moč (g/d)

79

3000 17 5,6 23 920 1000 3 300 350 16 2600 135 1,4 a 1,02 100 a 1300 13 a 100 7a 5 1,5 a 15

3. KURIKULÁRNÍ PROCES FORMOU EXPERIMENTÁLNÍ VÝUKY (Singer 2012a) V 5.části lineárního kurikulárního procesu je myšlena teoretická část výuky studenta. Je nutno však uvaţovat i experimentální výuku např. v laboratoři. Proto se vytvářejí na vysokých školách laboratoře. Jako např. na Zdravotně sociální fakultě Jihočeské univerzity je laboratoř dozimetrie, jejíţ část je zřejmá z následujícího obrázku.

Obr. Část laboratoře dozimetrie na Zdravotně sociální fakultě Jihočeské univerzity V následujících obrázcích jsou zobrazeny některé důleţité přístroje z této laboratoře a pod obrázky jsou uvedeny úlohy, kterými se studenti zabývají při svých praktických cvičeních.

80

Obr. Zařízení na vyhodnocování termoluminiscenčních detektorů (Harshaw 2006) 3.1. Úlohy pro termoluminiscenci Stabilita referenčního světla a) krátkodobé měření referenčního světla v pořadí: 10 x 30 sec, přestávka 60 min., 10 x 30 sec., přestávka 60 min, 10 x 30 sec. b) dlouhodobé měření referenčního světla v pořadí: 10 x 30 sec. Stabilita proudu za tmy (šumu) a pozadí detektoru a)dlouhodobé měření proudu za tmy (bez dusíku) v pořadí: 10 x b)dlouhodobé měření pozadí detektoru (bez dusíku) v pořadí: po 5 dozimetrech Měření detektorů a)dlouhodobé měření neozářeného detektoru (pozadí s dusíkem) v pořadí: po 5 dozimetrech b)měření detektoru ozářeného dávkou 5 mGy v pořadí: po 3 dozimetrech

81

Obr. Snímání hodnot z Osobního elektronického dozimetru čtečkou (Merlin Gerin, 2006) 3.2. Úlohy pro osobní elektronický dozimetr Měření pozadí Přepnutí do měřícího reţimu a zpět do pohotovostního reţimu 10 krát Přepínání v měřícím reţimu na Hp, příkon Hp, Hs a příkon Hs 10 krát Stanovení pozadí v měřícím reţimu Hp a Hs 5 dozimetrů Měření účinnosti detekce Odečtení Hp a Hs dozimetru ozářeného 5 mSv kolmo na dozimetr (0°) 5 dozimetrů Odečtení Hp a Hs dozimetru ozářeného 5 mSv šikmo na dozimetr (45°, 90°) 5 + 5 dozimetrů Časová závislost odezvy Odečtení Hp a Hs (viz předešlé úlohy) 5 dozimetrů a 5+5 dozimetrů

82

Obr. Měření scintilačním a polovodičovým mnohakanálovým analyzátorem. (Nuclear Data 1988), (Envinet 2009)

83

3.3. Úlohy pro mnohakanálové analyzátory Kalibrace bodovými zdroji Co-60 a Cs-137 Vloţí se etalony na scintilační detektor, nastaví se čas měření (Live) 160 hodin a spustí se nabírání spektra Vyhodnotí se spektrum tak, ţe se pouţije postup podle návodu Měření pozadí v laboratoři Nastaví se čas měření (Live nebo Real) 500 hodin a spustí se nabírání spektra Vyhodnotí se spektrum postupem podle návodu(okalibrována osa kanálů bodovými zdroji Co-60 a Cs-137). Stanoví se energie gama fotonů radionuklidů. Energetická kalibrace při Marinelliho geometrii Vloţí se Marinelliho nádoba s etalony na scintilační detektor a nastaví se čas (Live nebo Real) 160 hodin a spustí se nabírání spektra Vyhodnotí se spektrum Účinnost detekce při Marinelliho geometrii Pouţije se spektrum vytvořené v úloze 3 a vyhodnotí se účinnost detekce

3.4. Úlohy pro měřič dávkového příkonu NRG 302 A Úloha č. 1: Měření přírodního pozadí v laboratoři a) Přístroj se zapne, stanoví se úroveň nabití baterie a 15 minut nechá v klidu při časové konstantě 10 s. Pak se odečte hodnota pozadí v laboratoři ve výšce 1 m nad podlahou na stupnici, která odpovídá nastavenému rozsahu. Rozsah se nastaví tak, aby ručička se pohybovala v rozmezí 0,1 aţ 0,9 škály. b) Přepne se na časovou konstantu 3 s, nechá se 1 min v klidu a pak se odečte hodnota pozadí c) Totéţ při časové konstantě 1 s. d) Totéţ při časové konstantě 0,3 s. e), f), g) a h) totéţ jako v bodech a) aţ d) v opačném pořadí časových konstant, vţdy po 1 min klidu. Úloha 2: Měření přírodního pozadí venku V této úloze v bodech a) aţ h) se postupuje shodně jako v úloze 1. Měří se venku ve výšce 1m nad zemí (nejlépe nad trávníkem nebo zoranou půdou).

84

3.5. Úlohy pro studňový spektrometr Úloha 1: Stability měření pozadí Parametry se nastaví podle návodu a doba měření t = 2000 s. Měření se provede (při zavřených dvířkách) 5 krát. Vypočítá se průměr (P) a chyba (± s) Úloha 2: Měření zářiče Cs – 137 a) Parametry se nastaví podle návodu a doba měření t = 200 s. Měření pozadí se provede (při zavřených dvířkách) 5 krát a vypočítá se průměr (P) a chybu (± s) b) Na detektor se poloţí etalon Cs – 137, zavřou se dvířka a měří se rovněţ po dobu t = 200 s a to 5 krát. Vypočítá se průměr (I) a chyba (± S). c) Od průměru „I“ se odečte pozadí „P“ vypočítané v bodu a). Spočítá se (při znalosti aktivity etalonu „A“) účinnost měření (η). η = ( I – P ) / A*t Úloha 3: Měření zářiče Co – 60 Úloha se provede stejně jako úloha 2, s pouţitím etalonu Co – 60

3.6. Statistické vyhodnocení - střední hodnota a směrodatná odchylka Nejdůleţitějším rozdělením popisujícím rozdělení pravděpodobnosti náhodné veličiny spojitého charakteru (na rozdíl od binomického a Poissonova rozdělení, která popisují rozdělení pravděpodobnosti diskrétní proměnné), je „normální rozdělení (nazývané téţ Gaussovo)“. Náhodná veličina x má normální rozdělení s parametry μ a σ2, označované jako N(μ,σ2), pokud pravděpodobnost výskytu právě hodnoty x je dána funkcí  1 f ( x)  e  2

85

( x )2 2 2

pro -∞ < x < ∞ .

Střední hodnota náhodné veličiny X normálního rozdělení N(μ,σ2) je rovna μ a rozptyl je roven σ2, směrodatná odchylka je tudíţ rovna σ. Označíme-li „μ“ jako průměrnou hodnotu pozadí, pak P = Σ Pi / n. Označíme-li „ σ2 “ jako kvadrát chyby výběru, pak s2 = Σ (P – Pi)2 / (n – 1). „Pi“ jsou zde jednotlivé hodnoty naměřeného pozadí případně jiné odezvy a „n“ je počet měření provedených bezprostředně po sobě. 3.7. Významnost a detekovatelnost Na rozdíl od klasického přístupu uvedeného v poslední kapitole si uveďme moderní postup hodnocení odezvy detekčního systému, kterým Altshuler s Pasternakem (Altshuler, Pasternak,1963) poprvé v roce 1963 zavedli pojmy „významnost“ a „detekovatelnost“.

Předpokládejme, ţe odezva detekčního systému je obecně proměnnou řídící se normálním rozdělením pravděpodobnosti a předpokládejme, ţe odezva na pozadí má střední hodnotu P a odezva na vzorek střední hodnotu N2 (obr. 1.9). Pokud za hodnotu odezvy, která bude nejmenší odezvou odpovídající jiţ odezvě měřeného vzorku označíme N1, pak se vědomě dopouštíme rizika, ţe s pravděpodobností α budeme za takovou odezvu chybně povaţovat i odezvu pozadí. Pravděpodobnost α této chyby se ve statistice nazývá hladinou významnosti. Pokud odezvy větší neţ N1 prohlásíme na zvolené hladině významnosti α za významné, pak musí nutně existovat odezva se střední hodnotou N2>N1, kterou s pravděpodobností β budeme pokládat chybně za nevýznamnou. Pravděpodobnost α představuje riziko falešně pozitivního závěru, kdy fluktuaci odezvy pozadí chybně povaţujeme za odezvu pozadí

86

nepříslušející. Naopak pravděpodobnost β představuje riziko falešně negativního závěru, kdy fluktuaci odezvy vzorku chybně povaţujeme za odezvu pozadí. Altshuler s Pasternakem zavedli pro N1 název „nejmenší významná (critical)“ odezva a pro N2 název „nejmenší detekovatelná (detectable)“ odezva. Bude-li odezvou měřícího systému počet impulsů, hovoříme o nejmenším významném resp. nejmenším detekovatelném počtu impulsů. Stanovení N1 je testem významnosti na zvolené hladině významnosti. Stanovení N2 je testem (predikcí) přijatelnosti konkrétní metody (měřící doba, geometrie detekce), kterou stanovujeme odezvu systému na měřený objekt. Curie (Curie, 1968) odvodil obecné vztahy pro N1 a N2, známe-li hodnotu odezvy pozadí P a pro zvolené hladiny významnosti α a β. Zvolíme-li stejná rizika obou chyb, tj. uα=uβ=u, a budeme-li předpokládat, ţe u2«8P, obdrţíme zjednodušené vztahy N1  u 2P , N 2  u 2  2 N1  u 2  2u 2P . Obvykle se pouţívá kvantil u = 2,33 (pro hladinu významnosti α = β = 1%).

3.8. Časová závislost odezvy Tato závislost se stanovuje jako lineární nebo kvadratická (podle druhu funkce i vyšší stupeň) závislost odezvy na čase: Lineární regrese se provádí přímkou P = a + b * t proloţenou naměřenými body v grafu závislosti Pj na tj , kde P znamená odezvu měření pozadí nebo šumu nebo referenčního světla a t je čas (dny ,týdny). Konstanty přímky a, b se pak vypočítají ze soustavy rovnic Σ Pj = a * n + b * Σ tj Σ Pj * tj = a * Σ tj + b * Σ tj2 Kvadratická regrese se provádí obdobně pro parabolu D = a + b * t + c * t 2 pro body grafu Dj (odezva ozářených dozimetrů) a tj (čas). Konstanty a, b, c paraboly se vypočítají ze soustavy rovnic Σ Dj = a * n + b * Σ tj + c * Σ tj2 Σ Dj * tj = a * Σ tj + b * Σ tj2 + c * Σ tj3 Σ Dj * tj2 = a * Σ tj2 + b * Σ tj3 + c * Σ tj4

87

4. APLIKACE Poslední dvě části kurikulárního procesu tj. „mysl studenta“ a „uţití studentem“ lze aplikovat jiţ na vysoké škole formou bakalářské nebo diplomové práce a následně přednesením na konferencích nebo publikací v odborném časopisu. Jako příklad lze uvést měření osobních dávek personálu na různých zdravotnických pracovištích. 4.1. Měření osobních dávek při práci na nukleární medicíně a radioterapii (Singer2011a) Nejvyšším dávkám jsou pracovníci nukleární medicíny vystaveni na vyšetřovnách při aplikaci radoiofarmak vyšetřovaným osobám a při samotném průběhu vyšetření(radionuklidy 18 F, 51Cr, 57Co, 81mKr, 99mTc, 111In, 123I, 131I s energiemi v rozmezí 0,13 aţ 0,81 MeV) (Klener 2000, Mysliveček 1995, ICRP 1987). Jedná se o celotělové zevní ozáření, převáţně v předozadní expozici (AP směr), proto jsou pracovníci vybaveni dozimetry, které nosí na referenčním místě stanoveném vyhláškou č. 307/2002 Sb.. V této práci jsme se nezabývali dávkami na ruce (prstový dozimetr), které jsou vyšší neţ na zbytek těla. Personál vyšetřoven na oddělení nukleární medicíny Nemocnice Č. Budějovice nemá předem stanoven jasný rozpis určující, který z pracovníků bude radiofarmakum aplikovat, a který bude pomocí přístrojové techniky vyšetření provádět. Podle potřeby se pracovníci střídají v obou těchto činnostech. Efektivní dávky, které jsou během činností zaznamenány na dozimetr, jsou tudíţ jejich součtem. Přesto lze předpokládat, ţe vyšší dávky jsou registrovány při aplikaci, kdy je personál v přímé blízkosti radiofarmaka, neţ při vyšetření. V tomto případě jiţ dochází k sníţení hustoty toku ionizujícího záření vzáleností. Radiační ochrana na radioterapeutickém pracovišti musí zahrnout zejména dvě kategorie osob, které mohou být ozářeny v důsledku činnosti související s radioterapií: Zdravotnické pracovníky, kteří se podílejí na léčebném procesu (lékaři, radiologičtí laboranti, technici, fyzici a zdravotní sestry), a léčené pacienty. V radioterapii je osobní monitorování zaměřeno přímo na zjišťování a hodnocení dávek, jeţ obdrţí personál v kontrolovaném pásmu. Pro rutinní soustavnou dozimetrickou kontrolu je vyuţíváno převáţně filmových osobních dozimetrů, jeţ jsou kaţdý měsíc odesílány a vyhodnocovány CSOD,s.r.o. Monitorování pacientů se obvykle provádí pomocí termoluminiscenčních dozimetrů nebo polovodičových detektorů, kterými se ověřuje správnost předepsané dávky. Především se jedná o monitoring při prvním nastavení pacienta, při kaţdé změně v ozařovacím plánu, pod stínícími bloky nebo při speciálních či nově zaváděných technikách, např. celotělové ozařování.. Aby se při radioterapii minimalizovala míra rizika neţádoucího ozáření, je nutné zabezpečit přesné dodání poţadované dávky (±5%) do co nejpřesněji vymezeného a zaměřeného cílového objemu (±2 mm). Toho lze dosáhnout stanovením správných pracovních postupů při kontrolách ozařovačů, při plánování léčby i v průběhu vlastního ozařování. Tyto postupy i všechny parametry, které mohou ovlivnit výsledek léčby) a současně s tím i radiační ochranu a bezpečnost pacienta a dalších osob), je třeba dodrţovat, dokumentovat a pravidelně ověřovat a vyhodnocovat. Pravidla, která stanovují jakým

88

způsobem a pod čí odpovědností budou jednotlivé kroky radioterapeutického procesu realizovány, jsou zakotvena v programu zabezpečování jakosti (Heřmanská 2005). Hodnoty naměřených efektivních dávek jsme srovnávali u dvou typů osobních dozimetrů (elektronický dozimetr DMC 2000 XB (Merlin Gerin 2006) – označený ve výsledcích EPD a termoluminiscenční dozimetr Celostátní sluţby osobní dozimetrie – označený ve výsledcích TLD). Dozimetry nosily měřené osoby současně po dobu 6 krát 1 měsíc na stejném místě. Je-li EPD správně kalibrován ve veličině Hp(10), tj. v osobním dávkovém ekvivalentu v hloubce tkáně 10 mm, potom naměřená hodnota odezvy interpretovaná ve veličině Hp(10) je konzervativním odhadem efektivní dávky E* s korekcí 0,8 jak je zřejmé z následující tabulky č.1 (IAEA 1999). Efektivní dávky stanovené TLD jsou ve výsledcích označeny E. Energetická závislost pouţitých dozimetrů je experimentálně ověřena a publikována (Singer 2011b aj). Tab. Energetická závislost poměru E, Hp (10) a Kvz pro AP směr. Eγ [keV]

E/Kvz [Sv/Gy]

Hp(10)/Kvz [Sv/Gy]

E/Hp(10) [Sv/Sv]

10

0,00653

0,009

0,726

20

0,122

0,611

0,200

30

0,416

1,112

0,374

50

1,106

1,786

0,626

100

1,394

1,811

0,770

300

1,093

1,369

0,798

1000

1,003

1,167

0,859

10000

0,990

1,111

0,891

Při hodnocení efektivních dávek E a E* (naměřeny termoluminiscenčními a osobními elektronickými dozimetry) lze říci, ţe jejich hodnoty se od sebe v podstatě neliší. K výrazným rozdílům naměřených hodnot dochází pouze v případě, ţe hodnota naměřená termoluminiscenčním dozimetrem byla pod „Minimální detekovatelnou dávkou“. Tab. Součty (Σ) a průměrné (φ) měsíční naměřené hodnoty E* (EPD) a E (TLD) nad Minimálně detekovatelnou dávku (v mSv). Prac. č. 1 2 3 4 Celkem

ΣE* 0,95 0,98 0,76 0,81 3,55

φE* 0,16 0,20 0,15 0,20 0,178

ΣE 0,42 0,70 0,57 0,69 2,38

89

φE 0,14 0,14 0,19 0,23 0,174

V předešlé tabulce se nachází srování celkových a průměrných hodnot E a E*, pro sledované pracovníky na nukleární medicíně. Ve všech případech lze konstatovat, ţe se hodnoty pohybují mezi záznamovou a vysětřovací úrovní. Onkologičtí pacienti českobudějovické nemocnice a.s., kteří byli léčeni s rakovinou prostaty, dostali během léčby do cíleného objemu průměrnou dávku 73 Gy. Úkolem této práce bylo změřit osobní dávkový ekvivalent pomocí EPD v místě mimo ozařovanou oblast, kterou byl hrudník. Průměrné a celkové osobní dávkové ekvivalenty jsou uvedeny v následující tabulce. Celkové hodnoty Hp(10) byly poměrně vysoké, vzhledem ročnímu dávkovému limitu 1 mSv. Poněvadţ se, ale jedná o lékařský úkon, při němţ jsou pacienti léčeni pomocí ionizujícího záření, nelze tyto dávky limitovat. Tab. Průměrné hodnoty ( x Hp(10)), jejich směrodatné odchylky výběru (s), procentuální odchylky (s%), počet ozařování (n) a celkový Hp(10) za počet ozařování u kaţdého pacienta x Hp(10) [mSv]

s [mSv]

s%

n

Pacient č. 1.

0,291

0,008

2,861

21

Celkový Hp(10) [mSv] 6,111

Pacient č. 2.

0,311

0,009

2,862

14

4,354

Pacient č. 3.

0,263

0,016

6,157

20

5,260

Pacient č. 4.

0,212

0,002

0,837

19

4,028

Pacient č. 5.

0,272

0,002

0,769

21

5,712

Pacient č. 6.

0,210

0,001

0,625

25

5,250

Pacient č. 7.

0,248

0,003

1,042

28

6,944

Pacient č. 8.

0,157

0,001

0,503

29

4,944

Pacient č. 9.

0,228

0,001

0,386

32

7,296

Zaměstnanci radioterapeutického oddělení jsou monitorováni pomocí filmových dozimetrů, které jsou kaţdý měsíc vyhodnocovány CSOD, s.r.o. Hodnoty těchto osobních dávkových ekvivalentů jsou pod minimálními detekovatelnými hodnotami a jsou tedy uváděny < 0,10 mSv. I při činnostech laborantů bylo vyuţito EPD a TLD, aby bylo moţno porovnat výsledky obou dozimetrů. Průměrné hodnoty efektivních dávek (E* pro EPD a E pro TLD) v různých měsících jsou uvedeny v následující tabulce.

Laborant 1 Laborant 2 Laborant 3

E* (mSv) 0,100 0,084 0,077

E (mSv) 0,055 0,013 0,030

Ozařovna 1 Ozařovna 2 Ozařovna 3

77,3 71,9 116,9

60,6 69,1 108,3

90

Blízké hodnoty zaznamenané termoluminiscenčním a elektronickým dozimetrem napovídají, ţe jejich měřící schopnosti jsou velmi podobné. Pokud porovnáváme hodnoty průměrných efektivních dávek pro všechna měření nad „Minimální detekovatelnou dávkou“ (viz tab. č. 2 - n = 20 pro EPD nad 0,01 mSv a n = 14 pro TLD při MDD 0,1 mSv) jsou výsledky ještě bliţší. Např. u nukleární medicíny jsou průměrné hodnoty (na jedno měření) téměř shodné tj. u EPD je to 0,178 mSv a u TLD 0,174 mSv. Z experimentů je zřejmé, ţe všechny tyto činnosti a místa, jsou pomocí těchto EPD měřitelná. Tyto dozimetry by mohly v budoucnu nahradit dozimetry filmové, vzhledem ke schopnosti podávat okamţité aktuální informace o naměřených hodnotách, lehce čitelných přímo s displeje. Dalším cílem bylo porovnání EPD a TLD, při tomto měření jsme zjistili, ţe nukleární medicíně i radioterapii lze měřit pomocí obou těchto dozimetrů. Elektronický dozimetr má bohuţel i své nevýhody, mezi něţ patří nelinearita dávkové závislosti s dávkovým příkonem, jeho vysoká cena a ţivotnost baterií. Závěrem lze v této 1.fázi hodnotit pouţití elektronického osobního dozimetru DMC 2000XB z dozimetrického hlediska jako přínos i jako moţnou náhradu termoluminescenční dozimetrie v této oblasti zdravotnictví. Pouţití v praxi je nutno v dalších fázích zhodnotit metodou nákladů a přínosů, přičemţ jedním z přínosů je okamţitá znalost dávek a dávkových příkonů (vč.osobního dávkového ekvivalentu Hp(0,07) a jeho příkonu), tedy spojení standardního i operativního osobního dozimetru. Pouţití v jiných oblastech lidské činnosti (z dozimetrického hlediska) např. v defektoskopii jiţ bylo studováno a např. v dalších oborech zdravotnictví (radiodiagnostika) dále studujeme.

4.2. Měření osobních dávek při práci v radiodiagnostice (Singer 2013) Jak je jiţ z názvu patrné, jedná se o obor diagnostický, který ke svému účelu vyuţívá vlastností ionizujícího záření. Vývoj tohoto oboru začíná objevením aţ do současného moderního lékařského odvětví, bez kterého si jiţ zdravotnictví nedokáţeme představit. Cílem radiodiagnostiky je získávání obrazových informací lidského těla, za účelem stanovení diagnózy nebo prognózy nemoci. Radiodiagnostiku můţeme principielně rozdělit na konvenční radiologii, intervenční radiologii a dále pak na výpočetní tomografii, magnetickou rezonanci a sonografii. Poslední dvě jmenované metody však k zobrazování nevyuţívají IZ. Konvenční radiologie zahrnuje klasickou skiagrafii a skiaskopii. Při intervenční radiologii můţe personál obdrţet větší dávky (Martin 2009) neţ při konvenční radiologii. Cílem této práce bylo změřit osobní dávky při radiodiagnostických pracích v běţném provozu radiodiagnostického oddělení v nemocnici (okresní), kde se provádí především konvenční ale téţ (i kdyţ řidčeji) intervenční radiologie. Radiologičtí laboranti na radiodiagnostickém oddělení jsou běţně vybaveni osobními filmovými dozimetry. K těmto dozimetrům obdrţeli, pro případ experimentu popsaného v této práci, na měřící období sedmi měsíců také osobní elektronické dozimetry. Oba dva druhy dozimetrů nosily dle legislativy (SÚJB 2002) na referenčním místě, tj. na levé horní části hrudníku na oděvu. Měření probíhalo u pěti radiologických laborantů a jedním osobním elektronickým dozimetrem bylo měřeno přirozené pozadí.

91

Naměřené hodnoty Hp(10) pro jednotlivé pracovníky a jednotlivé měsíce, naměřené filmovými dozimetry byly vyhodnoceny jako nulové. Z těchto výsledků je patrné, ţe osobní filmové dozimetry v průběhu sedmi měsíců nezaznamenali ani u jednoho z pěti pracovníků osobní dávkový ekvivalent vyšší neţ 0,05 mSv. Znamená to, ţe problém zjištěných nulových hodnot na filmových dozimetrech nespočítává ve vyhodnocování filmových dozimetrů, ale opravdu v citlivosti filmových dozimetrů. Následující dvě tabulky znázorňují osobní dávkové ekvivalenty naměřené v jednotlivých měsících pro kaţdého konkrétního pracovníka pomocí elektronického dozimetru. Dále jsou v tabulkách uvedeny kolektivní dávky v jednotlivých měsících „S“ a celkové dávky pro jednotlivé pracovníky „∑“. Další poloţky jsou celkový součet „∑S“, celkový průměr „φ“, jeho směrodatná odchylka výběru „s“ a z toho vypočítaná relativní chyba „γ“ (v %).

Tab. Hp(10) naměřený v jednotkách mSv

1.pracovník 2.pracovník 3.pracovník 4.pracovník 5.pracovník S φ s γ

1.měsíc

2.měsíc

3.měsíc

4.měsíc

5.měsíc

7.měsíc

∑

0,115 0,075 0,079 0,078 0,086 0,433

6 měsíc 0,157 0,109 0,065 0,077 0,076 0,484

0,104 0,073 0,076 0,088 0,088 0,429

0,088 0,06 0,058 0,062 0,068 0,336

0,109 0,078 0,079 0,086 0,09 0,442

0,084 0,053 0,06 0,062 0,066 0,325

0,121 0,088 0,086 0,121 0,058 0,474

0,778 0,536 0,503 0,574 0,532 2,923 0,0831 0,0218 26,2%

4.měsíc 0,149 0,099 0,169 0,106 0,122 0,645

5.měsíc 0,201 0,134 0,215 0,116 0,172 0,838

6.měsíc 0,255 0,186 0,19 0,143 0,138 0,912

7.měsíc 0,213 0,164 0,222 0,141 0,104 0,844

∑ 1,362 0,967 1,347 0,854 0,955 5,515 0,1576 0,0392 24,9%

Tab. Hs(0,07) naměřený v jednotkách mSv 1.pracovník 2.pracovník 3.pracovník 4.pracovník 5.pracovník S φ s γ

1.měsíc 0,197 0,137 0,194 0,147 0,149 0,824

2.měsíc 0,156 0,113 0,15 0,09 0,118 0,627

3.měsíc 0,191 0,134 0,207 0,141 0,152 0,825

92

Jelikoţ se v místě měření téměř vţdy vyskytuje také přirozené i další rozptýlené záření, byl pouţit jeden dozimetr pro radiační pozadí. Výsledky tohoto měření jsou v následující tabulce, včetně součtu „∑“, průměrného pozadí „φ“, směrodatné odchylky výběru „s“ a relativní chyby „γ“. Tab. Pozadí Hp(10) a Hs(0,07) naměřený a Hp(10) skutečný v jednotkách mSv 1.měsíc 2.měsíc 3.měsíc 4.měsíc 5.měsíc 6.měsíc 7.měsíc ∑ φ s γ

Hp(10) 0,077 0,086 0,073 0,068 0,078 0,068 0,072 0,522 0,0746 0,0059 7,9%

Hs(0,07) 0,241 0,241 0,219 0,209 0,241 0,225 0,236 1,612 0,2303 0,0119 5,2%

Hp(10) skutečné

0,0656 0,0052 7,9%

Dokumenty (IAEA 1999), (IEC 2005) poţadují, aby nejistota stanovení veličiny E, resp. Ht byla v rozpětí –33 % aţ +50 % (95 % interval spolehlivosti) pro hodnoty na úrovni ročních limitů. V oblasti záznamové úrovně se připouští nejistota ±100 %. Některé publikace (IAEA 2007) uvádějí schopnost odezvy dozimetru (pro některé Hp fotonů) se vejít do tzv. „trubkové“ křivky limitů, s některými výjimkami pro nízké energie záření X. V této oblasti dávek (do měsíční vyšetřovací úrovně Hp(10) = 0,5 mSv (ČR 1997) a (SÚJB 2002)) prochází energetická závislost tj. rozdíl mezi referenčním a naměřeným dávkovým ekvivalentem v intervalu energií 16 aţ 1332 keV od mínus 10,9% do plus 38,1%. Tato „asymetrická“ energetická závislost ukazuje na moţnost pouţití dozimetru v celém rozsahu energie po matematické korekci tak, aby energetická závislost byla „symetrická“ a menší neţ ± 25%. Korekce v této oblasti dávek bude mít hodnotu k = 0,88, coţ při pouţití vzorce

Dskut = k * Dnaměř

bude skutečná dávka v rozmezí 0,78 aţ 1,22 (Singer 2011b).

93

Tab. Hp(10) skutečný v μSv

1.pracovník 2.pracovník 3.pracovník 4.pracovník 5.pracovník S φ s γ

1.měsíc 2.měsíc 3.měsíc 4.měsíc 5.měsíc 6.měsíc 7.měsíc ∑ 92 77 96 74 101 138 106 684 64 53 69 47 66 96 77 472 67 51 70 53 70 57 76 444 77 55 76 55 69 68 106 506 77 60 79 58 76 67 51 468 377 296 390 287 382 426 416 2574 73,5 19,1 26,0%

Průměrná hodnota skutečných osobních dávkových ekvivalentů pěti pracovníků za sedm měsíců je 73,5 μSv (směrodatná odchylka výběru ±19,1 μSv tj.relativní chyba ±26%). Obdobně lze korekcí vypočítat skutečné pozadí Hp(10), jehoţ průměrná hodnota za sedm měsíců je pak 65,6 μSv, směrodatná odchylka výběru ±5,2 μSv a relativní chyba ±7,9%.

94

Obr. č.1. Skutečné dávky pro 5 pracovníků za 7 měsíců 800

Hp (10) v mikroSv

700 600 500 400 300 200 100 0 1

2

3

4

5

Pracovník

Obr. č.2. Skutečné kolektivní dávky za 7 měsíců pro 5 pracovníků 450

Hp (10) v mikroSv

400 350 300 250 200 150 100 50 0 1

2

3

4

5

Měsíc

95

6

7

Cílem této práce bylo porovnat výsledky z filmových dozimetrů s výsledky dozimetrů elektronických a stanovit, zda je elektronický osobní dozimetr vhodný k pouţití při těchto činnostech, případně zda můţe nahradit filmový dozimetr. Na odděleních radiodiagnostiky se běţně pouţívají osobní filmové dozimetry, které jsou v intervalu jednoho měsíce vyhodnoceny Celostátní sluţbou osobní dozimetrie. Pět radiologických laborantů jmenovaného oddělení obdrţelo k filmovému dozimetru ještě dozimetr elektronický, kterým byl měřen osobní dávkový ekvivalent Hp(10) a HS(0,07). Měření probíhalo po dobu sedmi měsíců Během sedmiměsíčního monitorování pracovníků byly pomocí elektronických dozimetrů zaznamenány hodnoty osobního dávkového ekvivalentu Hp(10) vyšší neţ 50 μSv. Vyhodnocení filmové dozimetrie za stejné období stanovilo tuto hodnotu jako méně neţ 100 μSv, resp. méně neţ 50 μSv. Neshoda naměřených výsledků tedy nespočívá ve vyhodnocování, ale v citlivosti filmového dozimetru. FILMOVÝ DOZIMETR Výhody filmového dozimetru: menší velikost, nízká hmotnost niţší pořizovací cena niţší udrţovací náklady trvalé záznamy o dávce (lze snadno dokumentovat, uchovat) energetická a směrová závislost Nevýhody filmového dozimetru: citlivost na světlo citlivost na vysokou vlhkost, teplotu a chemikálie časová náročnost na vyhodnocení ELEKTRONICKÝ DOZIMETR Výhody elektronického dozimetru: vysoká citlivost (jiţ od 1 μSv) okamţitá informace o dávce, dávkovém příkonu a dávkovém profilu moţnost nastavení alarmu pro kumulovanou dávku nebo dávkový příkon při překročení nastavené úrovně optimalizace radiační zátěţe (průběţné sledování přírůstku dávky při jednotlivých činnostech) okamţité vyhodnocení Nevýhody elektronického dozimetru: vysoká pořizovací cena vysoké udrţovací náklady (baterie) nízká výdrţ baterií větší rozměry a vyšší hmotnost snadnější mechanické poškození moţnost ovlivnění elektromagnetickým zářením

96

Jak je patrné, kaţdý typ osobního dozimetru má své výhody i nevýhody. S přihlédnutím na práci radiologického laboranta na radiodiagnostickém oddělení je hlavní výhodou elektronického dozimetru jeho okamţité vyhodnocování a vyšší citlivost. Je dobrým znamením pro laboranta, který můţe v dané situaci lépe reagovat z hlediska radiační ochrany. Nevýhodou pro laboranta je jeho velikost a větší hmotnost, nošení tohoto dozimetru není zrovna příjemné. Další nevýhodou je kratší výdrţ baterií. Baterie vydrţí průměrně 3 měsíce a jejich pořízení je nákladné. Nepříjemný je také akustický signál, který upozorňuje na nízkou kapacitu baterie. Vezmeme-li v úvahu všechny informace, které se podařilo prokázat zejména vlastním měřením, lze konstatovat, ţe elektronický dozimetr je schopen měřit osobní dávky při některých radiodiagnostických činnostech a tam nahradit filmový dozimetr.

97

5. ZÁVĚR KURIKULÁRNÍHO PROCESU Posloupnost postupně transformovatelných variantních forem kurikula lze nazvat kurikulárním procesem přírodní vědy (Záškodný, 2009). Didaktická komunikace přírodní vědy, která je na vstupech a výstupech transformací T1 aţ T5 totoţná s variantními formami kurikula, pak respektuje evropskou tradici zkoumání obsahu edukace a vazbu této tradice na konkrétní přírodní vědu. Transformace T3 didaktického systému přírodní vědy (zamýšleného kurikula přírodní vědy a jeho učiva) na výukový projekt přírodní vědy (projekční kurikulum přírodní vědy a jeho učebnice) a na kvalitní přípravu edukátora na výuku (implementované kurikulum-1) byla P.Tarábkem nazvána (Záškodný, 2009) kurikulární transformací – název transformace je odvozen od faktu, ţe realizace této transformace úzce souvisí s tvorbou školního i národního kurikula. Jsou-li k dispozici výsledky transformace T2, lze je promítnout do modelování výukového projektu přírodní vědy – lze napsat dobře strukturovanou učebnici a lze kvalitně .připravit edukátora na výuku a tím dosáhnou potřebných výsledků transformace T3. Edukantům je pak umoţněno učení poznáváním . Jak v počátečních stupních se účastní procesu přístroje aj. subjekty měření (např. ozářený organizmus), dále vědci, technici, tak na konci nastupují do procesu zpracování informace pedagogičtí pracovníci a studenti. Takţe zde probíhá pravý kurikulární proces tj. didaktická komunikace, která tvoří „didaktický most mezi odbornými poznatky a jejich mentálními reprezentacemi v myslích edukantů (Brockmeyerová 2007)“. Zpracování dat tvorby projektového kurikula fyziky (především tvorba učebnice fyziky) a vzniku implementovaného kurikula-1 (tj. jak dosáhnout dobré připravenosti edukátora na výuku) byl předloţen v práci P.Záškodného (Záškodný2009). Příspěvek „Curricular Process in Dosimetry“ (Singer2009) je uvedením oboru dozimetrie ionizujícího záření do celého souboru didaktické vědy a je pokračováním (moţná rozšířením) kurikulárního procesu fyziky, který popisuje Záškodný (Záškodný 2008). Účelem této práce bylo zváţit metodu „kurikulárního procesu interdisciplinárního oboru“, jakým dozimetrie ionizujícího záření bezesporu je. Mými předchůdci byla prostudována didaktická komunikace oboru fyzika a jeho kurikulární proces, coţ je u interdisciplinárního oboru sestávajícího z matematiky, fyziky, chemie, biologie (medicíny), elektroniky aj.pouţití transformací T1 aţ T5 sloţitější. Některá z těchto transformací můţe totiţ chybět zejména tam, kde se nepouţívá vědeckého systému ale technických pomůcek (např. v elektronice aj.). Proto, jak se domnívám, je vhodné pouţít modelu lineárního pořadí (viz Úvod) s přístupovými informacemi a s odbočkovými výstupy. Byla pouţita cesta Data Mining (Záškodný 2009, Záškodný, Novák 2009), jakoţto analyticko-syntetické cesty k získávání informací při analýze a hodnocení vlastností osobních dozimetrů. Ve většině případech jde o interní reprezentaci, protoţe poznatky jsou vesměs individuální. Od řady oborů se liší tím, ţe se pouţívají experimentální data, která se analyzují a jako syntézy se pouţívá hodnocení daného dozimetru. V celém lineárním procesu tj.

98

měření→výsledky→hodnocení→odb. zpráva→učební text→mysl studenta→uţití studentem, se článek (Singer 2010) v „Educational and Didactic Communication 2010“ zabýval prvními třemi členy tohoto lineárního procesu. Čtvrtý člen „odborná zpráva“ se vyprodukoval jako článek (Singer 2011) v časopisu „Bezpečnost jaderné energie“a další. V tomto příspěvku v kapitole 3 jsou uvedeny tři části souborů, které tvoří tři odbočky ve stupni „učební text“ pořadí procesu. Na druhé straně do procesu mohou vstupovat tyto soubory v různém stupni např. soubor A (historie) vstupuje s informacemi aţ na stupni „odborné zprávy“, soubor B (dozimetrie) na stupni „hodnocení“, soubor C (systém měření) na počátku na stupni „měření“. S ohledem na to, ţe se jedná ve všech případech o dozimetrii, vrací se odbočky učebního textu zpět nejpozději na posledním stupni „uţití studentem“ (spíše však na předešlém stupni „mysl studenta“), protoţe soubory A, B a C (části textu uvedené v kapitole 3 vyňaté ze skript Singer 2004, Singer 2005 a Heřmanská 2005) tvoří ucelenou část oboru dozimetrie resp. radiační ochrana, jak je zřejmé z následujícího obrázku. C B A ↓ ↓ ↓ měření→výsledky→hodnocení→odb. zpráva→učební text→mysl studenta→uţití studentem ↓ ↓ ↓ ↑ A B C A+B+C Soubory A, B, C nejsou zdaleka vyčerpávajícími částmi dozimetrie, jsou pouze příkladem. Ve všech typech lineárního kurikulárního procesu osobní dozimetrie, které byly uvedeny v předešlých pracech (Singer 2011, Singer 2012) ať s úvodní částí „měření“ nebo „myšlenky vědce“, lze část procesu „učební text“ nahradit částí „laboratorní manuál“. Zde se pak uvedou nejen laboratorní postupy ale i úlohy (viz výše), které student musí splnit, vč. návodu na statistické zhodnocení výsledků. Výsledky a jejich statistické zhodnocení však jiţ patří do části procesu „mysl studenta“. Je tedy zřejmé, ţe celkový lineární kurikulární proces dozimetrie sestává na začátku ze dvou větví a to větve teoretické a experimentální: myšlenky vědce

→ │ → odborná zpráva → měření → výsledky → vyhodnocení → Následující část se zabývá edukační částí procesu, jako je vytvoření učebních textů např. (Singer 2005, Heřmanská 2005,). Dále jde o přenesení těchto znalostí do mysli studenta daných oborů a v konečné fázi vyuţití studentem v praxi po skončení studia, případně ještě během studia (studium při zaměstnání). Úvahy o kurikulárním procesu z úvodu tohoto článku pokračují, jak je zřejmé z předešlé kapitoly, závěrečnými třemi členy lineárního vyjádření tohoto kurikulárního procesu. Tyto etapy se rozvětvují, jak je vidět z následujícího grafu, protoţe Učební text lze pouţít v několika oborech studia (vč. studijních předmětů) a potom ještě ve větší řadě oblastí uţití, jako např.

99

Učební text

→ oblast uţití → obor studia ↑→ oblast uţití → ↕ → obor studia → ↕→ oblast uţití → obor studia ↓→ oblast uţití → oblast uţití

Na Zdravotně sociální fakultě Jihočeské univerzity v Českých Budějovicíchto jsou např. studijní předměty Fyzika, Radiologická fyzika, Jaderná fyzika, Dozimetrie, Radiační ochrana, Praktikum z dozimetrie, Praktická cvičení z radiologické fyziky ve třech stěţejních (pro tento kutikulární proces) v následujících oborech studia: Radiologický asistent (bakalářské studium) Ochrana obyvatelstva se zaměřením na CBRNE (bakalářské studium) Civilní nouzová připravenost (magisterské studium) Do roku 2009 byly obsazeny ještě Aplikovaná radiobiologie a toxikologie a Krizová radiobiologie a toxikologie, kde byly navíc předměty Radiační fyzika a Klinická dozimetrie. Absolventi těchto oborů se mohou uplatnit v následujících oblastech uţití: Zdravotnictví – nukleární medicína, radiodiagnostika, radioterapie apod. Průmysl – jaderná energetika, defektoskopie, výroba radiofarmak aj. Výzkum – jaderná zařízení, radiochemické laboratoře, urychlovače Státní správa – krajské úřady, magistráty, městské úřady Speciální profese – vojsko, policie, hasiči Samozřejmě, ţe i na jiných vysokých školách v České republice absolvují studenti tak, ţe se mohou uplatnit ve výše uvedených oblastech, jako např. ČVUT (navíc Radiologický fyzik), Univerzita obrany (navíc Velitelé speciálních jednotek) a další. I v rámci celé Evropské unie jsou na vysokých školách obory studia, kde se přednáší Dozimetrie a jí podobné předměty a znalosti zde získané se pak vyuţívají v nejrůznějších oblastech uţití.

100

6. LITERATURA

(Altshuler, 1963)

Altshuler B., Pasternack B.:, Statistical Measures of the Lower Limit of Detection of a Radioactivity Counter, Health Physics, 9, 1963

(Brockmeyerová 2007) Brockmeyerová J., Tarábek P., Teoretická koncepce didaktiky fyziky. Educational and Didactic Communication 2007, Didaktis, Bratislava, ISBN 987-80-89160-56-3 (CR 1997)

Zákon České republiky č. 18 / 1997 o mírovém vyuţívání jaderné energie a ionizujícího záření (Atomový zákon), v platném znění

(Curie, 1968)

Curie L.A.:, Analytical Chemistry, 40, 1968

(Envinet 2009)

Program GAMWIN, Envinet, 2009

(Geertz 1973)

Geertz C., The Interpretation of Cultures (1973), Basic Books 2000 paperback: ISBN 0-465-09719-7

(Harshaw 2006)

TLD Leader Model 3500, uţivatelský manuál, 2006

(Heřmanská 2005)

Heřmanská J., Singer J., Klinická dozimetrie, skripta Zdravotně sociální fakulty Jč. univerzity, České Budějovice, 2005, s. 7, ISBN 80-7040-759-X

(Hofstede 2005)

Hofstede, Geert; Hofstede, Gert Jan (2005). Cultures and organizations: software of the mind (Revised and expanded 2nd ed.). New York: Mc Graw – Hill, ISBN 978-0-07-143959-6

(IAEA 1999)

Publication IAEA: Assessment of Occupational Exposure Due to External Sources of Radiation, RS-G-1.3, Vienna, 1999

(ICRP 1975)

ICRP Publication 23, Reference Man, 1975, ISBN 978-0-08-01-7024-4

(ICRP 1977)

ICRP Publication 26, Recommendations of the ICRP, 1977

(ICRP 1987)

Publication ICRP 52: Protection of the patient in Nuclear Medicine, Pergamon 1987, ISSN 0146-6453

(ICRP 1990)

Publication ICRP 60, Recommendations of the ICRP, 1990

(ICRP 2007)

Publication ICRP 103, Recommendations of the ICRP, 2007

(ICRP 2008)

Publication ICRP 110 Adult Reference Computational Phantoms, 2009

(Klener 2000)

KLENER V. a kol: Principy a praxe radiační ochrany, SUJB Azin 2000, 619 str., ISBN 80-238-3703-6

101

(Komárek 1997) (Konečný 2006)

Komárek S.: Dějiny biologického myšlení. Nakladatelství Vesmír, 1997, ISBN 80-85997-10-9 Konečný J., Radiační fyzika, skripta ZSF JU, České Budějovice, 2006, ISBN 80-7040-843-X

(Merlin Gerin, 2006) Elektronický osobní dozimetr DMC 2000 X/S/XB, uţivatelský manuál, 2006 (Mysliveček 1995)

MYSLIVEČEK M. a kol.: Nukleární medicína I, Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc 1995, ISBN 80-7067-511-X

(Nuclear Data 1988) Program ACCUSPEC, Nuclear Data, 1988 (Singer 2004)

Singer J., Heřmanská J., Principy radiační ochrany, skripta Zdravotně sociální fakulty Jč. univerzity, České Budějovice, 2004, s. 4, ISBN 80-7040-708-5

(Singer 2005)

Singer J., Dozimetrie ionizujícího záření, skripta Zdravotně sociální fakulty Jč. univerzity, České Budějovice, 2005, s.3, ISBN 80-7040-752-2

(Singer 2006)

Singer J., Prezentace přednášek a cvičení z radiační fyziky a dozimetrie, Zdravotně sociální fakulta Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, 2006

(Singer 2009)

Singer J., Curricular Process in Dosimetry, p. 103-109. in Monograph Tarábek P., Záškodný P., „Educational and Didactic communication 2009“, Didaktis, Bratislava 2009, ISBN 978-80-89160-69-3

(Singer 2009a)

Singer J., Předota M., Prezentace přednášek a cvičení z jaderné a radiační fyziky, Zdravotně sociální fakulta Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, 2009

(Singer 2009b)

Singer J., Prezentace přednášek a cvičení – zdroje ionizujícího záření, Zdravotně sociální fakulta Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, 2009

(Singer 2010)

Singer J., Curricular Process in Dosimetry, p. 115-120, in Monograph Tarábek P., Záškodný P., „Educational and Didactic communication 2009“, Didaktis, Bratislava 2010, ISBN 978-80-89160-78-5

(Singer 2011)

Singer J., Curricular Proces in Personál Dosimetry, e-conference OEDM-SERM 2011, Proceedings 2012, p. 165-175, ISBN 978-80-904948-1-7

(Singer 2011a)

Singer J., Rusinová J., Černohorská A., Měření osobních dávek při práci na nukleární medicíně a radioterapii. XII. Štiavnické dni 4.-6.10.2011, Zborník prednášok a referátov, str. 14 (abstrakt), CD č.8 (prednáška), Banská Štiavnica, 2011, ISBN 978-80-970797-0-3

102

(Singer 2011b)

Singer J., Šmoldasová J., Petrová I., Dosimetric dependences of DMC 2000XB, Bezpečnost jaderné energie, V. 19(57), 2011, No. 5/6, p. 153-157, ISSN 1210-7085

(Singer 2011c)

Singer J., Prouza Z.,Prezentace přednášek a cvičení z dozimetrie, Zdravotně sociální fakulta Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, 2011

(Singer 2012)

Singer J., Curricular process of dosimetry as a scientific discipline, 2nd International e-conference OEDM-SERM 2012, November 1,2012– February 28., 2013, Proceedings, Bratislava, Slovak Republic, ISBN 978-80-904948-4-8

(Singer 2012a)

Singer J., Curricular process during the study in a dosimetric laboratory, 2nd International e-conference OEDM-SERM 2012, November 1,2012–February 28., 2013, Proceedings, Bratislava, Slovak Republic, ISBN 978-80-904948-4-8

(Singer 2013) Singer J., Chmelíková H., Měření osobních dávek při práci v radiodiagnostice XIV. Štiavnické dni 8.-10.10.2012, Zborník referátov, str. …(abstrakt), CD …(prednáška), Banská Štiavnica – Počúvadlo, ISBN ……… v tisku (Singer 2013a) Singer J., Konečný J., Prezentace přednášek a cvičení z radiační fyziky, Zdravotně sociální fakulta Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, 2013 (SÚJB 2002)

vyhláška SÚJB č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně, v platném znění

(SUJB 2007,5) Zabezpečení osobního monitorování při činnostech vedoucích k ozáření, Část I. - Zevní ozáření, SÚJB, Praha, 2007 Část II. - Vnitřní ozáření, SÚJB, Praha, 2005 (SUJB 2013)

Kultura bezpečnosti provozu a její vliv na zajišťování radiační ochrany, dostupné www.sujb.cz/radiační ochrana/... 1.9.2013

(Wikipedia 2013) Kognitivní věda, dostupné http://cs.wikipedia.org/... 1.9.2013 (Wikipedia 2013a) Kvarky, dostupné http://cs.wikipedia.org/...1.9.2013 (Záškodný 2008) Záškodný P., Kurikulární proces fyziky, Educational and Didactic Communication 2008, p. 3, Didaktis, Bratislava, ISBN 978-80-89160-62-4 (Záškodný 2009) Záškodný P. Data Mining Tools in Science Education, p. 3-53, in Monograph Tarábek P., Záškodný P. „Educational and Didactic communication 2009“, Didaktis, Bratislava 2009, ISBN 978-80-89160-69-3 (Záškodný, Novák 2009) Záškodný P., Novák V., Data Mining Process – Brief Summary, p. 76-80, In Monograph Tarábek P., Záškodný P. „Educational and Didactic communication 2009“, Didaktis, Bratislava 2009, ISBN 978-80-89160-69-3

103