Ακτινοβολίες και Ακτινοπροστασία Ενότητα 3η: Πηγές ραδιενεργών ακτινοβολιών, Ανίχνευση ραδιενέργειας 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 τις πηγές προέλευσης της φυσικής και τεχνητής ραδιενέργειας. ξέρουν την αρχή λειτουργίας των βασικών οργάνων ανίχνευσης των ακτινοβολιών και να διενεργούν σχετικές μετρήσεις. γνωρίζουν την αρχή λειτουργίας των οργάνων δοσιμέτρησης. επιλέγουν τις κατάλληλες μεθόδους πρόληψης και προστασίας από τις ακτινοβολίες. 4
Περιεχόμενα ενότητας Πηγές ακτινοβολίας, φυσικές και τεχνητές. Ανιχνευτές ακτινοβολιών και χαρακτηριστικά τους (απόδοση, διακριτική ικανότητα). Είδη ανιχνευτών ιοντίζουσας ακτινοβολίας (Μετρητής GM, σπινθηριστής, γ φασματοσκοπία κ.α ). Είδη δοσιμέτρων και αρχές λειτουργίας τους. 5
Πηγές ακτινοβολίας Φυσική ιοντίζουσα ακτινοβολία. Προέρχεται από το περιβάλλον. Διαφέρει από τόπο σε τόπο. Εξωτερικές πηγές: Κοσμική ακτινοβολία, ραδιονουκλίδια εδάφους, οικοδομικά υλικά. Εσωτερικές πηγές: Ραδιονουκλίδια που εισέρχονται στο σώμα μας. Μέση ετήσια δόση από φυσική ακτινοβολία: 2 msv. 50% της συνολικής φυσικής ακτι-νοβολίας είναι το ραδονιο 222 Rn. Φυσικές και τεχνητές πηγές. Πίνακας 1: Πηγές ακτινοβολίας (Διδάσκων, 2014). 6
Φυσικές πηγές ακτινοβολίας (1/3) Πρωτογενής κοσμική ακτινοβολία. Υψηλής ενέργειας. Προέρχεται από το διάστημα. Αποτελείται από ποζιτρόνια (89%) και ιόντα 4 He (10%). Δευτερογενής κοσμική ακτινοβολία: Παράγεται από αλληλεπίδραση της πρωτογενούς με τα μόρια της ατμόσφαιρας. Νετρόνια, Πρωτόνια, 3 Η, 7 Be, 10 Be, 22 Na, 24 Na. Ακτινοβολία γης: Από τα πετρώματα. ( 40 Κ, 87 Rb, 238 U, 239 U, 232 Th). 7
Φυσικές πηγές ακτινοβολίας (2/3) Εσωτερική ακτινοβoλία. Εισέρχεται στο σώμα με εισπνοή-κατάποση. Κάλιο ( 40 Κ) βρίσκεται στο μυελό των οστών. Ράδιο ( 226 Ra) κυρίως εναποτίθεται στα οστά. Ραδόνιο ( 222 Rn) εκπέμπει άλφα ακτίνες. 8
Φυσικές πηγές ακτινοβολίας (3/3) Φυσική ακτινοβολία λόγω τεχνολογίας (πλην ιατρικών εφαρμογών). Αεροπορικά και διαστημικά ταξίδια. καύση του άνθρακα. μηχανήματα ελέγχου αποσκευών με ακτίνες Χ. Η μέση ετήσια δόση λόγω αυτών των πηγών υπολογίζεται στα 10 μsv ανά κάτοικο. 9
Συμμετοχή των πηγών ακτινοβολίας στην ετήσια δόση Διαγραμμα 1: Συμμετοχή των πηγών ακτινοβολίας στην ετήσια δόση (IPSM No 72, 1995). Στο γράφημα φαίνεται ότι το 50% της ακτινοβολίας προέρχεται από το ραδόνιο, ενώ ένα 15% από τις ιατρικές εφαρμογές, οι οποίες είναι τεχνητή πηγή και θα αναλυθούν σε επόμενο κεφάλαιο. 10
Τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (1/5) Ιατρικές εξετάσεις με ακτίνες Χ: Είναι οι κοινές ακτινολογικές εξετάσεις, καθώς και οι αξονικές τομογραφίες. Μέση τιμή δόσης ανά εξέταση ~ 1,05 msv. Ακτιν/φία θώρακα 0,02 msv (=3 ημ. φυσικής ακτιν.). Διαγνωστικές εξετάσεις με ραδιοφάρμακα: Χορηγούνται ενδοφλεβίως ραδιενεργές ουσίες (99mTc ή 131Ι) και παρακολουθείται η κινητικότητά τους με έναν ανιχνευτή. Μέση ενεργός δόση ανά εξέταση είναι 1,0 msv. Οδοντιατρικές εξετάσεις με ακτίνες Χ: Είναι εξετάσεις χαμηλών δόσεων, αλλά πολύ μεγάλης συχνότητας. Μέση ενεργός δόση ανά εξέταση 0,01 msv. 11
Τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (2/5) Ακτινοθεραπεία. Είναι η ακτινοβόληση καρκινικών κυττάρων με σκοπό τη θανάτωσή τους, (ενώ συγχρόνως παίρνονται μέτρα για την ελαχιστοποίηση της θανάτωσης υγιών κυττάρων). Πολύ μεγάλες δόσεις. Μεγαλύτερη συνεισφορά στην τεχνητή ακτινοβολία έχουν οι αναπτυγμένες χώρες. οι οποίες αναφέρονται ως Χώρες επιπέδου Υγείας Ι. 12
Τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (3/5) Πίνακας 2: Τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (Διδάσκων, 2014). Ενεργός δόση ιατρικών εφαρμογών των Χωρών Επιπέδου Υγείας Ι, καθώς και των υπόλοιπων χωρών του κόσμου. 13
Τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (4/5) Δοκιμές πυρηνικών όπλων στην ατμόσφαιρα. Κυρίως 1950 1960. Αποτέλεσμα η ραδιενεργός μόλυνση μεγάλων εκτάσεων και η διασπορά σε όλο τον πλανήτη. Κυριότερα ραδιονουκλίδια 90 Sr, 137 Cs, 239 Pu. Η μέση επιβάρυνση ανά κάτοικο υπολογίζεται 4 msv. Πυρηνικοί σταθμοί ενέργειας. Υπό κανονικές συνθήκες η δόση πολύ μικρή. Υπολογίζεται στο 1 μsv/ έτος. Πυρηνικό ατύχημα Chernobyl 1986. Έκρηξη στον αντιδραστήρα Νο 4, λόγω λανθασμένων χειρισμών. Διαφυγή μεγάλων ποσοτήτων ραδιενεργών υλικών από τις οποίες περίπου 5x10 7 Ci 131 I, 3x10 6 Ci 137 Cs, 5x10 7 Ci Xe και Kr. Επιπτώσεις. 14
Τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (5/5) Σχεδιάγραμμα 2: Τεχνητές πηγές ακτινοβολίας (NRPB, 1993). Πυρηνικό ατύχημα Fukushima 2011. Συμμετοχή των τεχνητών ραδιενεργών πηγών στην ενεργό δόση του πληθυσμού. 15
Ανίχνευση ακτινοβολιών (1/2) Tα περισσότερα συστήματα ανιχνευτών χρησιμοποιούν τον ιονισμό ως μέσο ανίχνευσης των ακτινοβολιών. Κανένας ανιχνευτής δεν μπορεί να μετρήσει όλα τα είδη ακτινοβολίας, Μια ραδιενεργός πηγή μπορεί να εκπέμπει λίγα cps έως 10 13 cps *. Η ενέργεια της μπορεί να είναι μικρή, (βραδέα νετρόνια, κλάσμα ενός ev ) μέχρι πολύ μεγάλη (κοσμικές ακτίνες, τάξη GeV). Για το λόγο αυτό έχουν δημιουργηθεί πολλά είδη ανιχνευτών. * cps = count per sec = 1 διάσπαση /sec = 1 Bq 16
Ανίχνευση ακτινοβολιών (2/2) Οι πιο κοινοί ανιχνευτές είναι οι ηλεκτρονικοί οι οποίοι βασίζονται στα ηλεκτρικά σήματα που παράγει η ακτινοβολία μέσα στην ύλη. Άλλοι ανιχνευτές δεν απαιτούν τη μέτρηση ηλεκτρικού παλμού ή ρεύματος (φωτογραφικές πλάκες, χημικά δοσίμετρα και δοσίμετρα θερμοφωταύγειας). 17
Χαρακτηριστικά λειτουργίας ανιχνευτών (1/4) Κύρια χαρακτηριστικά: Απόδοση (efficiency): Είναι ο αριθμός των φωτονίων ή σωματιδίων που ανιχνεύονται προς τον αριθμό που εκπέμπονται από την πηγή. Απόλυτη Απόδοση (absolute efficiency) ε απολ = αριθμός καταγραφόμενων παλμών / αριθμός ακτινων που εκπέπονται από την.πηγή Εσωτερική Απόδοση (itrinsic effciiency) ε απολ = αριθμός καταγραφόμενων παλμών / αριθμός ακτινων που προσβάλουν τον ανιχνευτή Για τις μη διεισδυτικές ακτίνες η απόδοση φθάνει το 100%, ενώ για τις διεισδυτικές είναι πολύ χαμηλότερη. 18
Χαρακτηριστικά λειτουργίας ανιχνευτών (2/4) Νεκρός χρόνος (dead time, τ): Είναι ο χρόνος που ο ανιχνευτής δεν μπορεί να καταγράψει την πρόσπτωση ενός σωματιδίου / φωτονίου, διότι ακόμη επεξεργάζεται την προηγούμενη πρόσπτωση. Γρήγοροι ανιχνευτές έχουν πολύ μικρό νεκρό χρόνο, της τάξης των μsec. 19
Χαρακτηριστικά λειτουργίας ανιχνευτών (3/4) Ενεργειακή διακριτική ικανότητα (energy resolution, R): Είναι η ικανότητα του ανιχνευτή να διακρίνει δύο ακτίνες γειτονικών ενεργειών (με παραπλήσια τιμή). Αφορά μόνο τους ανιχνευτές που μπορούν να μετρήσουν την ενέργεια της ακτινοβολίας και όχι τους απλούς καταμετρητές παλμών. R = ΔΕ / Ε ο Όπου: Ε ο η ενέργεια στο κέντρο της κορυφής. ΔΕ το εύρος της καμπύλης στο μέσο του ύψους της. 20
Χαρακτηριστικά λειτουργίας ανιχνευτών (4/4) Ενεργειακή διακριτική ικανότητα [συνέχεια]. Η διακριτική ικανότητα εκφράζεται και με το πλάτος της κορυφής στο μισό του ύψους της. Ο αγγλικός όρος είναι Full Width at Half Maximum (FWHM). Μικρό FWHM σημαίνει καλή διακριτική ικανότητα. Η R εκφράζεται συνήθως ως % (π.χ R = 20%). Όσο μικρότερο είναι το νούμερο τόσο καλύτερα ο ανιχνευτής ξεχωρίζει δύο ακτίνες παραπλήσιων ενεργειών. Διάγραμμα 3: Ενεργειακής διακριτικής ικανότητας, Σχήμα 2.36 (Ανακτήθηκε 9 Νοεμβρίου, 2014). 21
Ανιχνευτές με αέριο (1/2) Θάλαμος ιονισμού με αέριο (Ar) ή (Xe). Συνδεμένος με πηγή (υπό τάση). Geiger Muller. Δύο ηλεκτρόδια: Τοίχωμα κυλίνδρου κάθοδος Κεντρικός άξονας άνοδος. Ένας μετρητής έντασης ηλεκτρικού σήματος. Η ακτινοβολία μπαινει στο θάλαμο ιονισμού, όπου αλληλεπιδρά με τα μόρια του αερίου. Έτσι παράγονται θετικά και αρνητικά ιόντα τα οποία και έλκονται από κάθοδο / άνοδο. Αυτή η κίνηση φορτισμένων σωματιδίων ισοδυναμεί με ηλεκτρικό ρεύμα (ενίσχυση /καταγραφή). 22
Ανιχνευτές με αέριο (2/2) Σχηματικό διάγραμμα 4: Μετρητή Geiger Muller (Ανακτήθηκε 7 Νοεμβρίου, 2014) 23
Ανιχνευτές σπινθηρισμών (1/2) Χρησιμοποιούν ειδικό υλικό που εκπέμπει φως (σπινθηρίζει) όταν πέφτει πάνω του ιοντίζουσα ακτινοβολία. Το φως προσπίπτει στην φωτοκάθοδο, που μετατρέπει το ορατό φως σε εκπομπή ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια πάνε στον φωτοπολλαπλασιαστή, όπου επιταχύνονται και πολλαπλασιάζονται μέσω των δυνόδων. Στην τελευταία δύνοδο το αρχικό ηλεκτρόνιο έχει πολλαπλασιαστεί εκατομμύρια φορές. Τα ηλεκτρόνια συλλέγονται από την άνοδο, στο άλλο άκρο και δημιουργούν ηλεκτρικό σήμα. Το σήμα ανιχνεύεται, ενισχύεται και καταγράφεται. Ανόργανοι σπινθηριστές: Είναι συνήθως κρύσταλλοι NaI(Tl) ή CsI(Tl) ή ZnS(Ag). 24
Ανιχνευτές σπινθηρισμών (2/2) Σχηματικό διάγραμμα 5: Σπινθηριστή NaI (Tl), Σελ 18 (Ανακτήθηκε 7 Νοεμβρίου, 2014) 25
Ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (1/2) Είναι κρύσταλλοι με προσμίξεις. Αρχή λειτουργίας. Τα φωτόνια επιδρούν με τα ηλεκτρόνια σθένους μέσω Φ. Compton και Φ.Φ. και τα διεγείρουν. Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στη ζώνη αγωγιμότητας Ανάμεσα υπάρχει η «απαγορευμένη ζώνη». Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταπέσουν πάλι στη ζώνη σθένους, εκπέμποντας την ενέργεια που απορρόφησαν υπό μορφή ορατού φωτός (φωταύγεια). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φθορισμός. Εάν η εκπομπή φωταύγειας καθυστερεί πολύ, τότε έχουμε τον φωσφορισμό. Οι προσμίξεις μπαίνουν για να παγιδεύουν ηλεκτρόνια. 26
Ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (2/2) Σχήμα 1: Ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Διδάσκων, 2014). Σχηματικό διάγραμμα Ανιχνευτή στερεάς κατάστασης. 27
Όργανα δοσιμέτρησης ατόμων (1/3) Δοσίμετρα θερμο-φωταύγειας. (Thermo-Luminescence Dosimetry, TLD). Αρχή λειτουργίας. Είναι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης. Όταν δέχονται ακτινοβολία παγιδεύουν ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια απαιτούν θέρμανση για να τα ελευθερώσουν και να τα στείλουν στη ζώνη αγωγιμότητας. Από εκεί τα ηλεκτρόνια επανέρχονται στη ζώνη σθένους, εκπέμποντας φως, το οποίο συλλέγεται από ένα φωτοπολλαπλασιαστή και είναι ανάλογο της δόσης ακτινοβολίας. 28
Όργανα δοσιμέτρησης ατόμων (2/3) Δοσίμετρα θερμο-φωταύγειας [συνέχεια]. Υλικά κατασκευής δοσιμέτρων TLD. Κυρίως κρύσταλλοι LiF(Tl) ή CaF 2, CaSO 4, Li 2 B 4 O 7. Μορφή δισκίων ή ράβδων με διαστάσεις μικρές (χιλιοστά). Λόγω του μικρού μεγέθους μπορεί να τοποθετηθούν σε κοιλότητες μέσα στον άνθρωπο π.χ στην ρινική κοιλότητα, και να χρησιμοποιηθούν για in vivo δοσιμετρία, δηλαδή σε ζωντανούς οργανισμούς. Δοσίμετρα TLD για εργαζομένους με ακτινοβολίες. Τοποθετούνται σε ειδικές θήκες και μετρούνται κάθε ένα -δύο μήνες. 29
Όργανα δοσιμέτρησης ατόμων (3/3) Εικόνα 1: Δοσίμετρα TLD μικρών διαστάσεων, (Κουτρουμπής, 2000). 30
Φωτογραφικά δοσίμετρα (1/2) Χρησιμοποιούνται για ατομική δοσιμετρία εργαζομένων. Αποτελούνται από πολυεστερική βάση η οποία φέρει και στις δύο όψεις επάλειψη από κόκκους AgBr κατανεμημένους σε ζελατίνα. H ακτινοβολία που δέχεται το φιλμ μετατρέπει τα ιόντα Ag+ σε μεταλλικό Ag. H κατανομή των ατόμων του Ag γίνεται ορατή μετά από επεξεργασία του φιλμ, η οποία έχει ως αποτέλεσμα να παραμείνει στο φιλμ μόνο ο Ag των κόκκων που έχουν προσβληθεί (Τα ιόντα Ag+ ξεπλένονται & απομακρύνονται). 31
Φωτογραφικά δοσίμετρα (2/2) Αρχή λειτουργίας φωτογραφικού δοσίμετρου. Πηγή: Εικόνα 2: Απορρόφηση οπτικής ακτινοβολίας σε φιλµ, Σελ 27 εικόνα 2.5 (Ανακτήθηκε 9 Νοεμβρίου, 2014) 32
Φασματοσκοπία γ και Χ (1/5) Χρησιμοποιείται ευρέως (έδαφος, φυτά). Το προς δείγμα υφίσταται προεργασία, (ξήρανση, ζύγιση κτλ). Τα ραδιοισότοπα του δείγματος δίνουν φάσμα εκπομπής φωτονίων. Αξιολογείται το είδος και η ένταση των κορυφών του φάσματος (ταυτοποίηση). 33
Φασματοσκοπία γ και Χ (2/5) Ημιαγωγοί ανιχνευτές Γερμανίου Ge και Πυριτίου Si. Χρησιμοποιούνται στη γ φασματοσκοπία. Το γερμάνιο υψηλής καθαρότητας (HPGe) προτιμάται από το πυρίτιο λόγω του μεγαλύτερου Ζ, που αυξάνει την απόδοσή του σε αλληλεπιδράσεις ακτίνων γ. Το Γερμάνιο παρουσιάζει περισσότερα προβλήματα «θορύβου» από ότι το πυρίτιο. Θόρυβος είναι τα ανεπιθύμητα ηλεκτρικά σήματα λόγω θερμικών κινήσεων του ημιαγωγού. Γι αυτό ένας ανιχνευτής Ge ψύχεται συνεχώς σε θερ/σία υγρού αζώτου -196 οϲ. [Προσαρμόζεται σε κρυοστάτη]. 34
Φασματοσκοπία γ και Χ (3/5) Ημιαγωγοί ανιχνευτές Γερμανίου Ge και Πυριτίου Si [συνέχεια]. Οι ημιαγωγοί ανιχνευτές ακτίνων γ έχουν καλή διακριτική ικανότητα (δηλ. μικρό FWHM), χαμηλούς νεκρούς χρόνους και δεν επηρεάζονται από μαγνητικά πεδία. Μειονεκτήματα: o α) η ψύξη με υγρό άζωτο. o β) το μικρό ύψος του παραγόμενου σήματος (θέλει ενίσχυση). o γ) το υψηλό κόστος τους. 35
Φασματοσκοπία γ και Χ (4/5) Εικόνα 3: Ανιχνευτής Ge (HPGe) για γ φασματοσκοπία (Ανακτήθηκε 7 Νοεμβρίου, 2014). 36
Φασματοσκοπία γ και Χ (5/5) Φάσματα γ φασματοσκοπίας. Πάνω: φάσμα με ανιχνευτή LaBr 3, σχετικά υψηλής διακριτικής ικανότητας (μικρό FWHM). Κάτω: φάσμα με ανιχνευτή NaI(Tl) χαμηλής διακριτικής ικανότητας (μεγάλο FWHM). Εικόνα Δημιουργία φάσματος βάση τριών ανιχνευτών, Σελ. 354 (Ανακτήθηκε 9 Νοεμβρίου, 2014). 37
Βιβλιογραφία (1/2) 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. 38
Βιβλιογραφία (2/2) 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. 39
Τέλος Ενότητας