Ακτινοβολίες και Ακτινοπροστασία

Ενότητα 2η: Απορρόφηση ραδιενεργών ακτινοβολιών, επιπτώσεις στην υγεία, δοσιμετρία

Μιχάλης Φωτάκης και Τσικριτζής Λάζαρος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών

Αντιρρύπανσης

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

2

Χρηματοδότηση • Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια

του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανωτάτη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3

Σκοποί ενότητας

Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας οι φοιτητές θα πρέπει να:

• γνωρίζουν τους νόμους που διέπουν την απορρόφηση των ακτινοβολιών και να υπολογίζουν το πάχος του απορροφητή και τον συντελεστή μ.

• εφαρμόζουν τις αρχές της δοσιμετρίας για τον υπολογισμό των ραδιενεργών δόσεων.

• αξιολογούν τις επιπτώσεις των ιοντιζουσών ακτινοβολιών στην υγεία.

4

Περιεχόμενα ενότητας

• Απορρόφηση ακτινοβολίας από την ύλη. Συντελεστής μ και HVL.

• Επιπτώσεις της ραδιενέργειας στην υγεία. Βιολογικές επιπτώσεις, σωματικά - κληρονομικά αποτελέσματα.

• Μονάδες μέτρησης ακτινοβολίας

• Δοσιμετρία. Είδη δόσεων, σχέσεις υπολογισμού δόσεων και όρια έκθεσης. Νομοθεσία.

5

Di = -μ*Ι*dx και

Ix=Io e-μx

• Io : η προσπίπτουσα ακτινοβολία. • Ιx : η εξερχόμενη ακτινοβολία. • dx : στοιχειώδες πάχος υλικού. • μ : γραμμικός συντελεστής εξασθένησης σε

μονάδες αντιστρόφου μήκους (cm-1). μ/ρ : μαζικός συντελεστής εξασθένησης, (cm2/g).

Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (1/6)

6

Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (2/6)

• Φαινόμενο “build up”.

• Εάν η δέσμη διαχέεται, προκύπτει το φαινόμενο επαύξησης ακτινοβολίας “build up”. Δηλ. μερικά από τα σκεδαζόμενα φωτόνια προσπίπτουν στον ανιχνευτή, με αποτέλεσμα αυτός να καταγράφει μεγαλύτερη ένταση ακτινοβολίας.

Σχήμα 1: Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (Α. Ανδριτσάκης και συν, 1995).

7

Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (3/6)

Φαινόμενο “build up”.

Στην περίπτωση αυτή ο αρχικός τύπος απορρόφησης της ακτινοβολίας «διορθώνεται» με την προσθήκη ενός συντελεστή Β που ονομάζεται συντελεστής επαύξησης.

I = B*I0*e-μχ

8

Half Value Layer, HVL.

• Η μείωση της ακτινοβολίας γ ή Χ που διαπερνά ένα απορροφητικό υλικό είναι εκθετική.

• Πιο εύκολα απορροφάται η «μαλακή» από τη «σκληρή» ακτινοβολία.

• Για τους υπολογισμούς των θωρακίσεων ορίζεται το πάχος υποδιπλασιασμού HVL.

Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (4/6)

9

Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (5/6)

Διάγραμμα 1: Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (Ψαρράκος και Καρακατσάνης , 1985).

• Γραφικές παραστάσεις της απορροφούμενης ακτινοβολίας συναρτήσει του πάχους του απορροφητικού υλικού.

10

Απορρόφηση ακτίνων γ από την ύλη (6/6)

Χαρακτηριστικά του μαζικού συντελεστή εξασθένησης (μ/ρ).

Είναι άθροισμα των συντελεστών φ/ηλεκτρ + φ/Compton + Δ/γένεση.

μ/ρ = τ/ρ+σ/ρ+κ/ρ

Ανεξάρτητος από θερ/σία, πίεση

Εξαρτάται από την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (βλ. σχήμα).

11

Διάγραμμα 2: Απορρόφηση ακτίνων γ από την

ύλη (Ψαρράκος και Καρακατσάνης, 1985).

Πόσο πάχος πρέπει να έχει θωράκιση χαλκού (Cu) ώστε να μειώνει την ένταση ακτινοβολίας τύπου γ και ενέργειας 0,8 ΜeV κατά 90 % ; (μm= 0,066cm2/g στα 0,8 ΜeV, ρCu=8,96g/cm3).

ΛΥΣΗ.

Από τη σχέση μm=μ/ρ υπολογίζουμε μ=0,066 Χ 8,96 =0,6 cm-1.

ΙΧ = Ι0 * e-μχ

Υπολογίζουμε 0,1 = e-μχ

Χ=-ln0,1 / 0,6

x = 3,83 cm.

Άσκηση 5η

12

Αλληλεπίδραση νετρονίων με την ύλη (1/2)

Τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο. Αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες κι όχι με ηλ/νια. Τρόποι: • Ελαστική σκέδαση : Σύλληψη του νετρονίου από τον

πυρήνα και επανεκπομπή του με σύγχρονη εκπομπή ακτίνων γ. Επρο > Εμετά.

• Μη ελαστική σκέδαση: Μεταφορά όλης της ενέργειας στον πυρήνα, ο οποίος διεγείρεται και αποδιεγειρόμενος εκπέμπει ακτίνες γ.

• Σύλληψη: Το νετρόνιο απορροφάται από τον πυρήνα, ο οποίος διεγείρεται και αποδιεγειρόμενος εκπέμπει ένα άλλο σωματίδιο ή φωτόνιο.

13

Αλληλεπίδραση νετρονίων με την ύλη (2/2)

• Τα νετρόνια έχουν μεγαλύτερη εμβέλεια από τα φορτισμένα σωματίδια.

• Νετρόνια υψηλής ενέργειας (ταχέα) υφίστανται κυρίως ελαστικές σκεδάσεις.

• Μετά τις αλληλεπιδράσεις μειώνεται η ενέργεια (Ε) και η ταχύτητά τους (υ).

• Νετρόνια χαμηλής ενέργειας 0,04 eV λέγονται θερμικά ή βραδέα. Η πιθανότητα (σ) να απορροφηθούν από πυρήνες είναι μεγάλη, διότι ισχύει:

Υλικά που χρησιμοποιούνται για θερμοποίηση ταχέων νετρονίων ονομάζονται επιβραδυντές (νερό, παραφίνη, γραφίτης, σκυρόδεμα). Είναι υλικά με μικρό μαζικό αριθμό Α.

14

Χαρακτηριστικά Ακτινοβολιών

Διαφορετικοί βαθμοί διεισδυτικότητας

⇒ διαφορετικά επίπεδα βλαβών.

Εξωτερική ή εσωτερική βλάβη ανάλογα με το είδος ακτίνων.

Εικόνα 1 : Διεισδυτική Ικανότητα των Σωματιδίων α, β και γ (Ανακτήθηκε 16 Νοεμβρίου, 2014).

15

Έκθεση (Χ). Αφορά μόνο ακτίνες - γ ή Χ.

Είναι το ολικό φορτίο (dQ) των ιόντων ενός προσήμου (+ ή -) προς τη μάζα αέρα (dm). Ισχύει για ενέργειες έως 3 MeV.

X = dQ / dm

Μονάδα μέτρησης στο S.I.

1C/kg [Coulomb /kg].

Παλιά μονάδα το Roentgen (R).

Ορισμοί - Μονάδες Ακτινοβολίας (1/5)

16

Ορισμοί - Μονάδες Ακτινοβολίας (2/5)

Απορροφούμενη δόση (D).

• Είναι η μέση ενέργεια (Ε) που απορροφά το υλικό προς τη μάζα (m) του υλικού. Ισχύει:Μονάδα μέτρησης στο S.I. ⇒ 1 Gray (Gy).

D = De / dm

• Παλιά μονάδα 1 rad = 100 erg/g υλικού.

1Gy = 1* (J/Kg)

17

Ορισμοί - Μονάδες Ακτινοβολίας (3/5)

• Ισοδύναμη δόση (Η).

• Λαμβάνει υπόψη και το είδος της ακτινοβολίας που προσπίπτει στον άνθρωπο.

H = D*Q*N

• Q: ο συντελεστής ποιότητας.

• Ν: ο συντελεστής κλασματοποίησης της δόσης. Σήμερα Ν=1.

• Μονάδα μέτρησης της Η στο S.I. είναι το Sievert (Sv).

• 1 Sv=1 J/Kg και Παλαιά μονάδα το rem.

18

Ορισμοί - Μονάδες Ακτινοβολίας (4/5)

• Ισοδύναμη δόση (Η) [συνέχεια].

Πίνακας 1: Ορισμοί - Μονάδες Ακτινοβολίας (Κουτρουμπής , 2000).

Οι τιμές του Q είναι μεγαλύτερες για τα βαριά σωματίδια.

19

• Ρυθμός δόσης είναι η απορροφούμενη δόση D ανά μονάδα χρόνου.

D = Dd / dt * (mSv / hr)

20

Ορισμοί - Μονάδες Ακτινοβολίας (5/5)

Βιολογικά φαινόμενα από ακτινοβολία (1/2)

1. από εξωτερικές πηγές ακτινοβολίας. 2. από εσωτερική μόλυνση. • Εξαρτώνται από δόση και ρυθμό δόσης.

• Υπάρχουν δύο κατηγορίες βιολογικών βλαβών.

• Σωματικές βλάβες: Παρουσιάζονται αμέσως μετά την ακτινοβόληση ή και πολύ αργότερα.

• Κληρονομικές βλάβες: Εμφανίζονται στους απογόνους των ακτινοβολημένων και μεταβιβάζονται από τα γενετικά κύτταρα των οργάνων αναπαραγωγής, τους γονάδες.

21

Βιολογικά φαινόμενα από ακτινοβολία (2/2)

Εσωτερική ραδιενεργός μόλυνση.

Προσβάλει:

• Κυκλοφορικό σύστημα.

• Αναπνευστικό σύστημα.

• Πεπτικό σύστημα.

• Κύτταρα.

22

Σωματικά αποτελέσματα ακτινοβολιών (1/5)

Μη στοχαστικά αποτελέσματα.

• Είναι οι βλάβες που παρουσιάζονται μέσα σε μια βδομάδα μετά την ακτινοβόληση. Ορίζεται κατώφλι δόσης. Κάτω από αυτό δεν υπάρχει εμφάνιση μη στοχαστικών αποτελεσμάτων (Διάγραμμα).

• Βλάβες υφίστανται ο μυελός οστών, το εντερικό επιθήλιο, οι γονάδες, τα ερυθρά και λευκά αιμοσφαίρια και το δέρμα (πιο ακτινοανθεκτικό).

• Μεγάλες ολοσωματικές δόσεις ⇒ θάνατος.

• Λοιμώξεις (λόγω μείωσης λευκών αιμοσφαιρίων)

23

Σωματικά αποτελέσματα ακτινοβολιών (2/5)

• Κύριοι τρόποι θανάτου από ραδιενέργεια.

• (Σύνδρομα ακτινοβολίας).

• Lethal Dose, LD50/30 d = 4-5 Gy .

• (Είναι η τιμή της δόσης για την οποία επέρχεται θάνατος του 50% του ακτινοβολούμενου πληθυσμού σε 30 μέρες).

24

Πίνακας 2: Σωματικά αποτελέσματα ακτινοβολιών (Κουτρουμπής , 2000).

Σωματικά αποτελέσματα ακτινοβολιών (3/5)

Στοχαστικά Αποτελέσματα.

• Εμφανίζονται μετά την πάροδο μεγάλου χρονικού διαστήματος (5 - 30 έτη) από την ακτινοβόληση.

• Το αποτέλεσμα ανάλογο της δόσης.

• Είναι ουσιαστικά τυχαία φαινόμενα και περιλαμβάνουν την πιθανή εμφάνιση καρκίνου ή λευχαιμίας.

• Δεν υπάρχει κατώτερο όριο δόσης (κατώφλι). βλ. Διάγραμμα.

25

Σωματικά αποτελέσματα ακτινοβολιών (4/5)

Διάγραμμα 3: Διάγραμμα στοχαστικών και μη στοχαστικών αποτελεσμάτων (Διδάσκων, 2014).

26

Σωματικά αποτελέσματα ακτινοβολιών (5/5)

• Κληρονομικά Αποτελέσματα.

• Οφείλονται στην καταστροφή των κυττάρων αναπαραγωγής και την εμφάνιση μεταλλάξεων στα γενετικά κύτταρα.

• Εμφανίζονται στους απογόνους.

• Δεν υπάρχει διαφορά επιπτώσεων υγείας ανάμεσα σε έναν άνθρωπο που δέχτηκε ακτινοβολία και σε αυτές των απογόνων του.

27

Αρχές Ακτινοπροστασίας (1/2)

ICRP. International Commission on Radiological Protection. Διεθνής επιτροπή:

• Εκδίδει κάθε 10 περίπου χρόνια οδηγίες ακτινοπροστασίας.

• Παραδοχές:

• δεν υπάρχει ασφαλές κατώφλι (όριο) δόσης.

• ισχύει η αθροιστική δράση των δόσεων.

• ισχύει η αναλογία δόσης – αποτελέσματος.

28

Αρχές Ακτινοπροστασίας (2/2)

Βασικές αρχές κανονισμών ακτινοπροστασίας: • Αρχή της αιτιολόγησης. Δεν επιτρέπεται να εκτίθεται ένα

άτομο σε ακτινοβολία, εάν δεν υπάρχει ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΟ ΟΦΕΛΟΣ για το ίδιο το άτομο.

• Αρχή της βελτιστοποίησης. Πρέπει να λαμβάνονται όλα τα απαραίτητα μέτρα ελαχιστοποίησης της έκθεσης σε ακτιν/λία, (θωράκιση χώρων κλπ).

• Αρχή ορίων δόσης. Καθιέρωση ετησίων ορίων δόσης, ανάλογα με την κατηγορία του ατόμου (π.χ επαγγελματικά εργαζόμενος, έγκυος γυναίκα, κοινός πληθυσμός κτλ). Τα όρια αυτά είναι διαφορετικά για στοχαστικά και μη στοχαστικά αποτελέσματα και ουσιαστικά βασίζονται σε ανθρώπους «πειραματόζωα» (π.χ Chernobyl).

29

Η ενεργός δόση είναι η ισοδύναμη δόση σταθμισμένη για τη βιολογική επίπτωση της ακτινοβολίας στους διάφορους ιστούς.

• Μονάδες. Sievert (Sv).

Ε = ΣwT *ΗT

• ΗΤ: Ισοδύναμη δόση.

• wT: παράγοντας βαρύτητας ιστού ή οργάνου. Καθορίζει πόσο ακτινοευαίσθητο είναι ένα όργανο. ΣwT =1.

• Η ενεργός δόση μιας ολόσωμης ακτινοβολίας ισούται με την ισοδύναμη δόση.

Ενεργός δόση (1/2)

30

Πίνακας 3: Ενεργός δόση (ICRP, 1991).

31

Ενεργός δόση (2/2)

Άσκηση 6η

H απορροφηθείσα δόση από ακτινοβολία α είναι 2 Gy με συντελεστή Q=20. α) Ποια είναι η ισοδύναμη δόση Η; β) Αν η δόση αυτή απορροφηθεί από τον πνεύμονα (wT = 0,12) τότε ποια είναι η ενεργός δόση Ε που δέχτηκε ο πνεύμονας;

ΛΥΣΗ

α) H = D*Q*N.

Επειδή πάντοτε Ν=1, προκύπτει ότι η ισοδύναμη δόση για Q=20 είναι:

H= 2 Gy * 20 = 40 Sv

β) Ενεργός δόση πνεύμονα.

Ε= Η* wT = 40 Sv * 0,12= 4,8 Sv

32

Όρια δόσεων (1/3)

Νομοθεσία:

Εργαζόμενοι < 18 ετών δεν μπορούν να απασχολούνται επαγγελματικά με ακτινοβολίες.

Εργαζόμενοι > 18 ετών. Όρια δόσεων:

• Ετήσιο όριο ενεργού δόσης: 20 mSv/year (ή 100 mSv σε 5 χρόνια με ανώτερο 50 mSv).

• Φακοί οφθαλμών, ετήσιο όριο: 150 mSv.

• Δέρμα, ετήσιο όριο : 500 mSv /cm2.

33

Όρια δόσεων (2/3)

• Έγκυες. H ισοδύναμη δόση στο έμβρυο μέχρι το πέρας του τοκετού θα πρέπει να είναι έως 1 mSv. (δηλ. έκθεση στην περιοχή της κοιλιάς έως 2 mSv).

• Κοινός πληθυσμός .

• Ετήσιο όριο ενεργού δόσης 1 mSv.

• Ετήσιο όριο στους φακούς οφθαλμών 50 mSv.

34

Όρια δόσεων (3/3)

• Υπολογισμός κινδύνου πρόκλησης στοχαστικών βλαβών. (Ως βλάβη ορίζεται όχι μόνο ο θάνατος, αλλά και η μη θανατηφόρος καρκινογέννεση ή λευχαιμία, κλπ).

• Ο ολικός συντελεστής στοχαστικών βλαβών για τον κοινό πληθυσμό είναι 7,3 x 10-2 ανά Sv.

Παράδειγμα:

Σε πληθυσμό 1000 ατόμων ο καθένας δέχεται ακτινοβολία 2 Sv. Τότε στατιστικά θα εμφανίσουν βλάβη (7,3 x 10-2/Sv)x1000x2Sv= 146 άτομα.

35

• Κουτρουμπής Γεώργιος, (2000), Ακτινοπροστασία, Εκδόσεις Λύχνος.

• Harold E. Johns, Cunningham R., (1983), The Physics of Radiology, 4th edition, Publisher Charles Thomas.

• Shapiro Jacob (2002), Radiation Protection, 4th edition, Harvard University Press.

• Cember Herman (1989), Introduction to Health Physics, 2nd edition, Pergamon Press.

• Ψαρράκος Κυριάκος, (1997), «Ιατρική Φυσική», 2ος τόμος, University Press.

36

Βιβλιογραφία (1/2)

• NRPB, (2003), “Proposals for Limiting Exposure to Electromagnetic Fields (0-300 GHz), Consultation Document.

• Γ.Π. Κουτρουμπής (2007), Ακτινοπροστασία, Εκδόσεις Λύχνος.

• Fuller K, Gulson A.D. et al (2002), Radiofrequency Electromagnetic Fields in the Cookridge Area of Leeds, NRPB-W23.

• Μ. Φωτάκης (2006), Σημειώσεις Εργαστηρίου Ακτινοβολιών, ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας.

37

Βιβλιογραφία (2/2)

Τέλος Ενότητας