Ionizáló sugárzások
Ionizáló sugárzások dozimetriája
Alkalmazások optimalizálása Káros következmények becslése, minimalizálása
Ionizáló sugárzások
A dozimetria feladata
csoportosításuk a kiváltott hatás alapján. Közvetlenül (direkt) ionizáló
Közvetve (indirekt) ionizáló
A sugárzással töltések lépnek a közegbe, a sugárzást alkotó részecskék hozzák létre a töltéseket. Pl. α-és β-sugárzás.
A sugárzás fotonjai által keltett elektronok hozzák létre a töltéseket Pl. γ-sugárzás, röntgen.
☺
Megfelelő mennyiségek megfogalmazása
Az egészségügyi kockázat becslése megelőzés céljából. Az egészségkárosodás felmérése.
Méréstechnika
A terápiás folyamat tervezése. Kockázatbecslés
Dózisfogalmak
1. Mennyiségek, azaz dózisok • Legyen a károsodás, hatás mértékére jellemző sugármennyiség!
Fizikai dózisok: elnyelt dózis, besugárzási dózis Biológiai dózisok: egyenértékdózis, effektív dózis
• Legyen arányos a károsodás mértékével, kockázatával! • Legyen additív! • Lehetőleg ne függjön más tényezőktől! ?
Fizikai dózisok
1. Elnyelt dózis ΔE=E0 - E
E0
Egységnyi tömegben elnyelt energia E
ΔE D= [ J / kg ] Δm Érvényesség: minden abszorbeáló anyagra és mindenfajta sugárzásra.
Mértékegység: [ J / kg ] ≡ Gy Louis Harold Gray (1905-1965).
Mérés ????
Származtatott dózisok: kollektív dózisok, dózisteljesítmény
80 g tömegű pajzsmirigyben 0,2 GBq aktivitású 131I izotóp 7,5 nap effektív felezési idővel bomlik. Számítsuk ki a pajzsmirigy által az izotóp teljes lebomlásáig elnyelt dózist, ha a kibocsátott β-részecskék átlagos energiája 0,18 MeV.
Λ=
ln 2 N T
N=
0,2 *109 [Bq ]* 6,48 *105 [s] = 1,87 *1014 0,693
E = 0,18 *106 [eV ] = 2,88 *10 −14 [J ] E össz = N ∗ E D=
E össz m
E össz = 1,87 *1014 * 2,88 *10 −14 = 5,38[J ] D=
⎡ J ⎤ 5,38 = 67,28⎢ ⎥ ≡ 67,25[Gy] 0,08 ⎣ kg ⎦
Fizikai dózisok
X=
2. Besugárzási dózis
ΔQ [C / kg ] Δm
ΔQ – szekunder elektronok!!
Egységnyi tömegű levegőben keltett pozitív, vagy negatív töltések mennyisége.
E0
E
Elektron-egyensúly : A határfelületen átlépő szekunder elektronok nettó mennyisége nulla.
ΔQ [C / kg ] X= Δm Érvényesség: levegőben, csak γ- és rtg.-
Befolyásolja:
fal
mérőtérfogat
sugárzásra, elektron-egyensúly* esetében.
- a környezet (a kamra falának) anyaga – levegőekvivalens - a kamra falának vastagsága - a foton energiája
E< 0.6 MeV
Az elnyelt dózis és a besugárzási dózis kapcsolata
ΔQ X= [C / kg ] Δm
Dlev = f 0 X
ΔE [ J / kg ] D= Δm
~ 34 J/C
Levegőben az átlagos ionizációs energia ~ 34 eV.
A szövetben elnyelt dózis ΔE ≈ μm ⋅ J Δm Dlev =
ΔE [ J / kg ] Δm
μ Dlev = m.levegő Dszövet μ m , szövet
Fotonenergia (MeV)
μm,lev.//μm,szövet
μm,lev.//μm,szövet
(lágyszövetek)
(csont)
0,1
1,07
3,54
0,2
1,08
2,04
0,4
1,10
1,24
Biológiai dózisok
A szövetben elnyelt dózis
Az elnyelt energia (absorbeált dózis) nem jellemzi egyértelműen a biológiai következmények mértékét.
E> 0.6 MeV
sm.levegő
Dlev = Dszövet sm , szövet
Elektron energia (MeV)
A biológiai hatás mértéke függ:
Sm,szén/sm,lev.
1.0
0.985
3.0
0.946
A sugárzás fajtájától.
A hatást elszenvedő biológiai objektum érzékenységétől, biológiai funkciójától
s: tömegfékezőképesség (LET) Sugárzásra jellemző korrekciós faktor
Dózisegyenérték (H)
Miért hal meg az egyik nyuszi, míg a másik...
Rolf Sievert 1896-1966
2 Gy elnyelt dózis - röntgen
A sugárzások „hatékonysága” eltérő.
H T = wR DT Sugárzás hatékonyságára szövetben elnyelt jellemző sugárzási dózis súlytényező
H mértékegysége: Sievert (Sv)
Elnyelő szövetre jellemző korrekciós faktor
sugárzás
WR
foton
1
elektron
1
neutron
5-20
proton
5
α-sugárzás
20
2 Gy elnyelt dózis - α-sugárzás
Dózisegyenérték (H) A sugárzások „hatékonysága” eltérő.
Dózisegyenérték (H) A sugárzások „hatékonysága” eltérő.
H T = wR DT
α-sugárzás
LET (Linear Energy Transfer)v. linearis energiaátadás: egységnyi úthosszon leadott energia (nEionpár/l)
R2 R3
WR1
DT,R1
WR2
DT,R2
WR3
DT,R3
Magas LET pl. α, proton
WR
foton
1
elektron
1
neutron
5-20
proton
5
α-sugárzás
20
Effektív dózis (E)
Többféle egyidejű sugárzás esetén az egyes sugárzások elnyelt dózisai súlyozottan adódnak össze.
R1
Alacsony LET Pl. γ, rtg
sugárzás
A szövetek eltérő érzékenységét megfelelő súlyozással vehetjük figyelembe.
H T = ∑ wR DT , R R
E = ∑ wT H T T
E mértékegysége: Sievert (Sv)
E = ∑ wT H T T
szövet
WT
szövet
WT
gonádok
0,2
emlő
0,05
vörös csontvelő
0,12
máj
0,05
vastagbél
0,12
nyelőcső
0,05
tüdő
0,12
pajzsmirigy
0,05
gyomor
0,12
bőr
0,01
hugyhólyag
0,05
csontfelszín
0,01
∑w
T
=1
Dózisteljesítmény Egységnyi idő alatt elszenvedett dózis. Mértékegysége változatos, a dózistól és az időtartamtól függ (pl. Gy/hónap, mSV/év stb.)
Kollektív dózisok Az emberek egy meghatározott csoportjában, meghatározott időre vonatkozóan összegzett dózismennyiségek.
T
Sugárhatások típusai
Kollektív dózisok Az emberek egy meghatározott csoportjában, meghatározott időre vonatkozóan összegzett dózismennyiségek.
S = ∑ N i Ei i
Ni személy Ei effektív dózist
Determinisztikus hatás
Stochasztikus hatás
Determinisztikus hatás Determinisztikus hatás Küszöbdózis fölött a károsodás mértéke arányos a dózissal. Küszöbdózis: alatta nem lép fel.
Gy
Rövid idővel a hatás után megjelenik. Diagnisztikai eljárások kapcsán nem várható.
Küszöbdózis felett a súlyosság arnyos a dózissal.
Pl. eritéma, hajhullás, katarakta, sejtek pusztulása, az egyed halála
*1% halálozás 60 nappal az esemény után Dózis (Gy)
Biológiai hatás
0,15-0,2
A kimutatható sugársérülés küszöbdózisa.
0,5
Hematológiai módszerekkel kimutathatóság határa.
0,8
Az akut sugárbetegség küszöbdózisa
2,0
Minimális halálos dózis (LD1/60)*
4,0
Félhalálos dózis (LD50/60)
7,0
Minimális abszolút letális dózis LD99/60.
Stochasztikus hatás A károsodás bekövetkeztének valószínűsége függ a dózistól. A károsodás bekövetkeztének mértéke/súlyossága nem függ a dózistól. A károsodás megjelenése időben elhúzódó is lehet. Nincs küszöbdózis.
Mellkasi röntgenfelvétel: kb. 160 μGy a bőrben
Pl.daganatok, magzati fejlődési rendellenességek
Apám egy egészséges fizikus volt, és biztosított arról hogy a sugárzás nem veszélyes
Stochasztikus hatás
Az egyenérték ill. effektív dózis alapján becsülhetjük a stochasztikus sérülések valószínűségét. Ezek tartománya a determinisztikus sérülések küszöbdózisai alatt van.
Sv
vizsgálat
becsült effektív dózis mSv
Mellkasi átvilágítás
0,04
Mellkasi CT
7,8
Koponya CT
1,8
Hasi átvilágítás
1,2
Hasi CT
7,6
Háti gerinc átvilágítás
1,0
Ágyéki gerinc átvilágítás
2,1
Vastagbél kontrasztanygos vizsgálata
8,7
Sugárterápia Determinisztikus hatások kiváltása. (pl. Daganatsejtek elpusztítása.) Stochasztikus mellékhatások lehetnek.
Sugárvédelem Determinisztikus hatások kizárása. Stochasztikus mellékhatások valószínűségének csökkentése.
A terhelés megoszlása a források között
A becsült átlagos évi dózis természetes és mesterséges forrásokból 3.6 mSv.
ipari termékek 3%
környezeti
Radon Kb. 54% 238U
foglalkozási katonai
egyéb 1%
nukleáris medicina 4% orvosi rtg. 11% belső 11%
222Ra 4 2
α
232Th, 218Po, 214Pb
nukleáris ipari
4 2
α
4 2
egyéb földi 8%
α kozmikus 8%
orvosi
Környezeti források kozmikus sugárzás: ~ 0,4 mSv/év
radon: kb. 1,8 mSv/év
kálium: néhány tized mSv
Természetes környezeti sugárzásból adódó terhelés alakulása Európában
Tipikus effektív dózis értékek
Kockázati tényezők összehasonlítása a várható átlagos élettartam csökkenése napokban házastárs nélküli élet (férfiaknak) dohányzás (1csomag naponta) házastárs nélküli élet (nőknek) szénbányász munkakör 25% túlsúly alkoholizmus építőmunklás munkakör közlekedés motorkerékpárral 1 mSv/év effektív dózis 70 éven át kávézás
Effektív dózis (mSv)
3500 2250 1600 1100 777 365 227 207 10 6
Röntgen mellkas
0.02
3 nap
medence
1.0
6 hónap
IVP
4.6
2.5 év
Barium kontraszt
9.0
4.5 év
8.0
4 év
CT (mellkas)
Izotópdiagnosztika
Tipikus effektív dózis értékek Effektív dózis (mSv)
Egyenértékű természetes háttér:
pajzsmirigy
1.0
6 hónap
csont
3.6
1.8 év
Orvosi tevékenység Egyenértékű természetes háttér:
• Laboratóriumi alkalmazás – radioaktív nyomjelzők
Röntgen mellkas
0.02
3 nap
medence
1.0
6 hónap
IVP
4.6
2.5 év
Barium kontraszt
9.0
4.5 év
CT (mellkas)
8.0
4 év
• Képalkotó eljárások • Sugárterápia
Minden alkalmazás sugárterheléssel jár!
Izotópdiagnosztika pajzsmirigy
1.0
6 hónap
csont
3.6
1.8 év
A várható előny és a kockázat mérlegelése fontos!
A sugárvédelem alapelvei
Sugárvédelem
• Indokoltság – az ionizáló sugárzás alkalmazásának hasznosnak kell lennie: az alkalmazás kockázata kisebb, mint az alkalmazás elhagyásának kockázata
A sugárvédelem célkitűzései: biztosítani, hogy az ionizáló sugárzás alkalmazásával kapcsolatban determinisztikus hatások ne léphessenek föl
• Optimálás – az alkalmazás által okozott dózis az észszerűen elérhető legkisebb legyen – tervezési dózis – ALARA
sugárveszélyes tevékenységet folytató személyek foglalkozási kockázata ne legyen nagyobb, mint az egyéb foglalkozási ártalmak kockázata (10-4 eset/év)
• Korlátozás – a tervezés révén a személyek dózisa az átlag körüli eloszlást mutat, a valószínű kimenetelek nem léphetik túl a biztonságot adó egyéni dóziskorlátot
a lakosság sugárterhelésből adódó kockázata ne haladja meg az egyéb civilizációs ártalmakból eredő kockázatot (10-5 eset/év).
Foglalkozással összefüggő
ALARA-elv As Low As Reasonably Achievable
A dózist olyan alacsonyra csökkenteni, hogy a kockázat mértéke „elfogadható” legyen.
X : sugárvédelmi kiadások Y : sugárkárosodás kezelésének költségei
költség
Teljes sugárvédelem nincs!
dózis
Sugárvédelmi szabályok dóziskorlátokat írnak elő.
Optimum a minimum
Foglalkozással összefüggő
Sugárvédelmi dóziskorlátok
Sugárvédelmi dóziskorlátok
*International Commission on Radiological Protection
* 5 éves átlagban évi 20 mSv, feltéve, hogy egy évben sem haladja meg az 50 mSv-et.
* 5 éves átlagban évi 20 mSv, feltéve, hogy egy évben sem haladja meg az 50 mSv-et.
A kozmikus sugárzásból származó dózisteljesítmény változása a tengerszint feletti magasággal
Különböző foglalkozásokkal járó relatív dózisterhelés egyéb bányász
foglalkozási radioaktív por
5μSv/óra
orvosi alkalmazás étel, ital
1μSv/óra Himalája Tibet
Erel (mSv)
0,1μSv/óra
Mexikó
tengerszint
0,03μSv/óra
Sugárzásdetektorok – Dózismérő eszközök • Mit?
α++ p+ (n)
β
γ
Egyszerű részecskedetektorok • ionizációs (köd-)kamra 1- fűtés, ion kivonás 2- fűtés 3- alkohol csatorna 4- túltelített gőz 5- nyílás forrásnak
ν
• Milyen eneregiájút?
6- fekete fém alaplap 7- hûtés 8- alkohol visszafolyás 9- alkohol bevitel 10- fűtés
11- alkohol 12- belső üvegfal 13- külső üvegfal 14- alkoholgőz
• szikrakamra – nagyfeszültségű vezetékek
• Mennyit?
• buborékkamra – folyadék (H2, Ar, Xe) a forráspont körül – hűtés/fűtés ciklusok
• Milyen pontosan?
Dózis- és dózisteljesítmény-mérők fajtái
Dozismérés fizikai jel változása ~ elnyelt dózis
* elektronikus működésű detektorok – az elnyelt sugárzási energia közvetlenül szabad töltéshordozókat hoz létre gáztöltésű detektorok – utólagos és azonnali kiértékelésre is alkalmasak szcintillációs detektorok – szerves kristály és folyadék félvezető detektorok – szilícium, germánium * kémiai dózismérők – a válaszjel kialakításához vegyi folyamat vezet el FILM – utólagos kiértékelés * szilárdtest-dózismérők – kristályok fizikai tulajdonságait használják ki termolumineszcens detektor – TLD (LiF, CaF2, BeO, Al2O3)
A detektorok jellemzői
Elektronikus működésű detektorok
3
félvezetõ detektor
Gázionizációs detektorok - Ionizációs kamra
• információ 2
relativ intenzitás
– nyom, energia, szám
• reakcióidő – 100 ps-tól néhány ms-ig
1
Dózismérés: a kondenzátoron felhalmozódik a keletkezett töltés.
plasztik szcintillátor
• hatásfok 0 0.0
• • •
0.5
1.0
1.5
pulzus-amplitudó
2.0
A kondenzátor feszültsége a dózissal arányos.
érzékenység válaszfüggvény háttér – árnyékolás: aktív, passzív
U=
Q C
Mérés a kondenzátoron keresztül
Ionizációs kamra
Ionizációs kamra Dózisteljesítmény mérése: az időegység alatt keletkezett töltés mennyisége = áramerősség.
A feszültség és az ionizációk számának kapcsolata
Az ellenálláson mért feszültség a dózisteljesítménnyel arányos.
U= Mérés az ellenálláson keresztül
QR t
Geiger tartomány
rekombinációs proporcionális tartomány ionizácós tartomány kamra tartomány
Ionizációs kamra – Geiger-Müller számláló - Nemesgáz töltés - Nagy gyorsító feszültség
Fizikai Nobel-díj 2002
Multiwire chamber - sokszálas proporcionális kamra
Georges Charpak
↓
1924 -2010
– töltött részecskéket és fotonokat detektál – pozicióérzékeny! – általában gáztöltésű – nagy részecskegyorsítók környezetében alkalmazzák
Lavinaszerű ionizáció
↓ áramimpulzus
Áramimpulzus száma ~ ionizáló részecske száma
Szcintillációs detektorok
•
folyadékszcintillátorok – fénykibocsátó molekulák oldata – oldatok többnyire előre kevertek – először az oldat, majd a szcintillátor molekulái gerjesztődnek – végül fénykibocsájtás
•
plasztik szcintillátorok – szilárd oldatok
•
szervetlen kristályok – a kristályrács nyeli el az energiát – szennyező atomok → energiaszintek a tiltott sávban
Szcintillációs detektorok •
szcintillátor → sugárzásból látható fény
•
•
fény nem jó → mérhető elektromos jel kell
•
megoldás: fotoelektromos effektus, majd elektronok sokszorozása anódelektronok = áram „elektronikus trükk”: mérhető feszültségjel
Félvezető detektorok
Félvezető detektorok Δε − n kT =e n0
•
+U
n
p
-U
• •
n-p diódák – ionizáció / vezetési elektronok kis energia: Si(Li) nagy energia: HPGe
n
σ≈e
−
Δε 2 kT
Fajlagos vezetőképesség
Egyéni dózismérő eszközök Kémiai dózismérés - Filmdoziméter
A feketedés mértéke függ a sugárzás fajtájától, energiájától, az abszorbens vastagságától, anyagától.
A fotófilm megfeketedésén alapuló eszközök. A feketedési rajzolat alapján értékelhető.
hatásos térfogat
•
töltött részecskék: surface barrier detektorok – nem n/p, hanem fém/n – többnyire szilicium – jó hatásfok
Filmdoziméter
A feketedés mértéke függ a sugárzás fajtájától, energiájától, az abszorbens vastagságától, anyagától..
doses measured down to 10 μSv.
Dózisszámolás
Szilárdtest detektorok
Csak a γ-sugárzással kapcsolatos dózist veszi figyelembe
Termolumineszcens dózismérő Jellegzetes sávszerkezetű anyagok
Dlev = K γ
vezetési sáv melegítés ionizáló sugárzás
fény
szennyezés vegyértéksáv
exponálás
kiértékelés
75 MBq 24Na izotóptól 30 cm távolságban dolgozunk. Milyen vastag ólomfalat kell alkalmaznunk, hogy helyünkön 15 mGylev/h értékre csökkenjen a dózisteljesítmény?
Λ ⎛D⎞ ⎜ ⎟ = Kγ 2 r ⎝ t ⎠0
⎛ D ⎞ ⎛ D ⎞ − μ m xρ ⎜ ⎟=⎜ ⎟ e ⎝ t ⎠ ⎝ t ⎠0
75 *10 ⎛D⎞ ⎜ ⎟ = 444 0,32 ⎝ t ⎠0
x=5,7 cm
−3
= 370[μGy / h ]
Λt r2
Λ: a forrás aktivitása
izotóp γ-energia (MeV)
Kg
24Na
2,754; 1,369
444
52/59Fe
0,5; 1,3; 1,1
160
60Co
1,33; 1,17
305
131I
0,364; 0,08; 0,723
54
137Cs
0,661
80
t: az expozíció ideje r: forrástól mért távolság Kγ: dóziskonstans izotópra jellemző arányossági tényező
A hét kérdése Az ionizációs kamra melyik feszültségtartományát (tartományait) használná dózismérére? Miért?
Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika II. 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 keretes: 184. 186.
Gyakorlati jegyzet:Dozimetria
