Elementi di radioprotezione

1. P. Corvisiero a.a.: 2003-2004 Elementi di radioprotezione http://www.ge.infn.it/~corvi/doc/didattica/

2. Tipi di decadimento radioattivo , ,  Interazione radiazione-materia p, , e, , n sommario Generalita’ sul nucleo atomico Leggi del decadimento radioattivo Elementi di dosimetria I rivelatori di radiazioni Esempio di calcolo della dose

3. 10-8 cm 10-13 cm Ratomo = 100.000 · Rnucleo Matomo  Mnucleo La materia e’… vuota !! sfere da un metro a distanza di 100 chilometri !! Il nucleo e’ composto da Protoni  e neutroni interagenti tramite le forze nucleari Le energie in gioco sono decine di milioni di volte piu’ elevate delle energie chimiche (elettroni)

4. Nuclide: ben definito nucleo costituito da un determinato • numero di protoni e di neutroni. Esso viene indicato come: • o spesso più semplicemente dove: • - Xindica l’elemento chimico; • - Z: numero atomico dell’elemento = numero di protoni • nel nucleo (numero di elettroni atomici); • - A: numero di massa del nucleo, cioè il numero totale • di protoni (Z) e neutroni (N) A=Z+N. • I protoni ed i neutroni sono chiamati genericamente nucleoni. Ne risulta ovviamente che N=A-Z isotopi isotoni isobari

5. numero di protoni Z valle di stabilita` dei nuclei Energia di legame massima numero di neutroni N composizione del nucleo atomico: N  Z

6. numero di protoni Z decadimento  + p  n + e+ +  (22Na  22Ne +e++) decadimento  - n p + e- +  (60Co  60Ni +e-+) Decadimento  (241Am  237Np + ) numero di neutroni N

7. decadimento - n  p + e- +  (14C  14N + e- + )

8. decadimento  + p  n + e+ +  (15O  15N + e+ + )

9. cattura  p + e-  n +  (7Be + e-  7Li + )

10. decadimento  (241Am  237Np + )

11. Decadimento  60Ni* (60Co  60Ni* + e- + ) Emissione  60Ni 60Ni*  60Ni +   Talvolta il nucleo “figlio” viene creato in un stato eccitato Si diseccita emettendo radiazione gamma

12. Le particelle ,  e  emesse dal nucleo interagiscono con la materia circostante depositando in essa la loro energia. Come vedremo l’energia depositata nei tessuti organici provoca un danno biologico. Scopo della radioprotezione e’ appunto quello di valutare ed impedire (o quanto meno limitare) il danno biologico sia ai lavoratori professionalmente esposti che al pubblico.

13. sorgente radiazioni misurate Cont. Geiger tempo Leggi del decadimento radioattivo La radioattivita` si manifesta con la emissione di particelle  oppure  da parte del nucleo, spesso seguite da emissione  Quale legge segue il decadimento radioattivo ?

14. Leggi del decadimento radioattivo NP(t) = numero di nuclei che non sono ancora decaduti al tempo t

15.  = 1/ rappresenta la vita media T1/2 = ln2/ rappresenta il tempo di dimezzamento Np = nuclei precursori (“parents”) N0 = nuclei iniziali  = costante di decadimento rappresenta la probabilita` di decadimento nell’unita` di tempo attività = numerodi decadimenti subiti nell’unità di tempo

16. Vita media lunga = ritmo di decadimento lento

17. Vita media lunga = ritmo di decadimento meno lento

18. Vita media lunga = ritmo di decadimento rapido

19. T1/2 = 25 giorni T1/2 = 80 giorni T1/2 = 220 giorni L’attivita’ di ogni sorgente diminuisce nel tempo Maggiore e’ il valore di T1/2 piu’ a lungo dura la sorgente

20. L’ attività si misura in Bequerel (Bq) 1 Bq = 1 disintegrazione/secondo Molto usata tutt’oggi la vecchia unita’: il Curie (Ci) 1 Ci = 3.7·1010 disintegrazioni/secondo (1 Ci  1 g di Radio 226) 1 Ci = 37 GBq 1 mCi = 37 MBq 1 Ci = 37 kBq

21. 10 4 2 Flusso : numero di particelle per unita’ di superficie numero di particelle per unita’ di superficie e per unita’ di tempo Intensita’ di flusso  : Diminuiscono con l’aumentare della distanza dalla sorgente

22. La sorgente emette ogni secondo 6·106 particelle beta ogni secondo sulla sfera di raggio r incidono 6·106 particelle beta 60Co r Esempio: calcolare l’intensita’ di flusso di particelle beta alla distanza r = 2 metri (nel vuoto) da una sorgente di 60Co di attivita’ a = 6 MBq

23. paziente Cuffia schermante La sorgente di una cobaltoterapia corrisponde a qualche centinaio di Ci, pari quindi a circa 1012 Bq Usando la formula: Vediamo per esempio che ogni cm2 di superficie, posto ad una distanza di un metro dalla sorgente, e’ investito da circa 107 radiazioni ogni secondo Questo vale per il paziente ma anche per gli operatori !

24. Unita’ di misura dell’energia in Fisica nucleare si preferisce misurare l’energia delle particelle in una unita’ di misura diversa da quella a voi familiare (Joule) Si usa infatti l’elettronvolt (simbolo eV) e soprattutto i suoi multipli: keV ossia kiloelettronvolt (1 keV = 103 eV) MeV ossia Megaelettronvolt (1 MeV = 106 eV) 1 elettronVolt e’ l’energia cinetica guadagnata da una particella di carica unitaria (protone, elettrone) accelerata da una differenza di potenziale di 1 Volt Cosi’, elettroni accelerati da una d.d.p. di 6 MVolt possiedono una Energia cinetica pari a 6 MeV •  I fenomeni chimici (che coinvolgono gli elettroni) hanno energie • caratteristiche dell’ordine degli eV • I fenomeni nucleari (che coinvolgono i nucleoni all’interno del nucleo) hanno energie caratteristiche dell’ordine dei MeV

25. - HV + tubo sotto vuoto filamento elettroni Raggi X Altre sorgenti di radiazione Macchine radiogene Generatori di raggi X per diagnostica e/o terapia LINAC : acceleratori lineari di elettroni Essi sono presenti in molti ospedali per la terapia antitumorale. Producono fasci di elettroni di energia relativamente alta, che puo’ raggiungere la decina di MeV.

26. Interazione radiazioni - materia Le particelle ,  e  emesse dalla sorgenti radioattive, i raggi X Delle macchine radiogene e gli elettroni dei LINAC interagiscono con i materiali nei quali si propagano (es. aria, materiali biologici, …) Lungo il loro percorso cedono frazioni della loro energia agli elettroni del mezzo attraversato Le modalita’ di interazione sono molto diverse a seconda che si parli di particelle cariche: o elettroni oppure di particelle neutre: raggi X, fotoni e neutroni I neutroni sono generati da interazioni degli elettroni accelerati dai LINAC con i materiali da essi colpiti I neutroni costituiscono un ulteriore sorgente di radiazioni dalla quale proteggere lavoratori profess. esposti e popolazione

27. I legami chimici sono caratterizzati da energia w = 2030 eV. Cosi’ una particella  di energia E = 8 MeV e’ in grado, prima di arrestarsi nel mezzo, di “rompere” un numero di legami pari a: Si tratta di un numero elevato di “distruzioni”… Teniamo pero’ presente che in ogni cm3 di materiale biologico (assimilato all’acqua) vi sono 3.3·1022 molecole !!! Interazione radiazioni - materia Particelle cariche Perdono energia per ionizzazione: cedono cioe’ agli elettroni del mezzo energia sufficiente a “staccarli” dall’atomo al quale sono legati dalla forza di Coulomb. Se il mezzo e’ un materiale biologico, queste ionizzazioni creano un danno in quanto spezzano legami molecolari ed alterano quindi dal punto di vista chimico i tessuti.

28. Interazione radiazioni - materia Particelle cariche Se la particella carica e’ un elettrone, questo ha una massa confrontabile con quella dei bersagli colpiti (elettroni atomici) e subisce quindi ad ogni urto delle brusche deviazioni di traiettoria e quindi brusche accelerazioni e decelerazioni. Associato a queste variazioni di velocita’ vi e’ il meccanismo di perdita di energia per irraggiamento (Bremsstrahlung): l’elettrone perde energia emettendo dei raggi X. I due tipi di perdita di energia, per ionizzazione (Sion) e per Irraggiamento (Srad) coesistono quindi per gli elettroni ionizzazione  Sion p, , ioni pesanti, elettroni e irraggiamento  Srad Elettroni e Perdita di energia per

29. Interazione radiazioni - materia Particelle cariche Sussiste la relazione (con E misurata in MeV): nel piombo (Z=82): Ecrit 10 MeV in acqua o aria (Z  8): Ecrit 100 MeV Ecrit = 800/Z Il fenomeno di perdita di energia per irraggiamento e’ dominante nei materiali ad alto numero atomico Z I generatori di raggi X funzionano appunto (vedi prima) sfruttando Questo fenomeno: il catodo su cui incidono gli elettroni e’ infatti Tungsteno (simbolo W, Z=79) I raggi X usati in diagnostica e/o terapia hanno origine dalla interazione degli elettroni con il catodo

30. e Sion+Srad p,  Sion Interazione radiazioni - materia Particelle cariche

31. e p,  Particelle cariche: Range Si chiama Range (o percorso) lo spessore penetrato da una particella all’interno di un materiale prima di arrestarsi A parita’ di energia particelle cariche pesanti (protoni e ) Sono molto meno penetranti degli elettroni: il loro range e’ circa 1000 volte piu’ corto Depositano quindi la stessa quantita’ di energia in un volume di materia estremamente piu’ piccolo: per questo motivo il danno biologico associato alle particelle cariche pesanti e’ maggiore di quello associato agli elettroni

32. N spessore Range qualche cm aria Range alfa: un foglio di carta  m aria Range elettroni:  cm plastica  1 mm Piombo Interazione radiazioni - materia Particelle cariche: Range non costituiscono problema per irraggiamento esterno Sorgenti radioattive

33. Einiz Efin E = Einiz- Efin Particelle cariche: Range Naturalmente se lo spessore del materiale attraversato e’ minore Del range, la particelle deposita solo una frazione di energia nel mezzo. Se quindi si vuole schermare una sorgente radioattiva che emette Particelle cariche ( o ) e’ necessario adottare una schermatura di spessore superiore al range delle particelle stesse

34. piombo, ferro, rame … plexiglass Schermature particelle cariche: : nessun problema : conviene usare materiali leggeri in questo modo si riduce la produzione di fotoni di bremsstr.

35. E” E’ E Interazione radiazioni - materia Fotoni A differenza delle particelle cariche i fotoni non interagiscono In maniera continua con la materia, ma in maniera stocastica: Esiste cioe’ una probabilita’ di interazione con la materia (quella che i fisici chiamano Sezione d’urto) Le interazioni sono discontinue: tra una interazione e la successiva il fotone non cede energia al mezzo Il fotone entra nel mezzo con energia E ed esce con energia E”

36. Effetto fotoelettrico Effetto Compton produzione di coppie e+e- Interazione radiazioni - materia Fotoni

37.   e+e- e+e-  e+e- bremsstr bremsstr bremsstr produz.coppie produz.coppie produz.coppie Interazione radiazioni - materia Fotoni Quindi i fotoni, a seguito della loro interazione con la materia, qualsiasi sia il meccanismo di interazione (fotoelettrico, Compton o produzione di coppie) mettono in moto degli elettroni. Questi elettroni si propagano nel mezzo perdendo in esso la loro energia tramite processi di ionizzazione e/o irraggiamento I fotoni sono particelle indirettamente ionizzanti fotoni ed elettroni, specie ad alta energia, producono gli stessi effetti propagandosi nei materiali. Sono i cosiddetti sciami elettromagnetici.

38. Z5 (fotoelettrico) probab. interazione  Z (Compton) Z2 (prod. coppie) Piombo Calcestruzzo N spessore Interazione radiazioni - materia Fotoni  = coefficiente di attenuazione/assorbimento  = 1/ = libero cammino medio

39. Interazione radiazioni - materia Fotoni I coefficienti di attenuazione/assorbimento sono tabulati in funzione dell’energia e dei vari materiali

40. A n  p  Interazione radiazioni - materia neutroni Z = 0  solo interazioni nucleari diffusione – rallentamento - cattura

41. n+ 10B  7Li +  n+ 6Li 3H +  n + 1H  2H +  n + Cd Cd +  Cattura: La massima perdita energia si ha quando: mA  mn materiali idrogenati materiali leggeri calcestruzzo o paraffina “borata”, “litiata”

42. N spessore Schermature neutroni  = sezione d’urto macroscopica

43. 10B (n,)7Li • Cattura: reazioni nucleari: 6Li (n,)3H (Cd)nat(n,) Schermature neutroni: • Rallentamento Materiali leggeri: paraffina, H2O, calcestruzzo, … Calcestruzzo

44. Rischi da radiazioni ionizzanti: irraggiamento: Sorgente esterna all’organismo Le radiazioni incidono sul lavoratore Contaminazione interna: Sorgente entra nell’organismo a seguito di Ingestione, inalazione, ....

45. ingestione inalazione esalazione cute polmoni linfonodi ferita apparato polmoni tiroide e gastro liquidi ..…....... intest. intercell. ossa fegato reni urine feci

46. Per quanto detto fino ad ora sulle proprieta’ delle radiazioni: irraggiamento: Radiazione penetrante: fotoni neutroni elettroni alta energia (linac) Contaminazione interna: Radiazione a corto range: Particelle beta Particelle alfa

47. Un po’ di storia della radioprotezione Da quando le radiazioni ionizzanti sono presenti nei reattori e negli apparati che utilizzano l’energia nucleare, i progettisti di questi sistemi devono includere nei relativi progetti le schermature e la protezione dalle radiazioni sia per il personale addetto al loro funzionamento che per la popolazione nel suo insieme. La sorveglianza e il monitoraggio continuo dei livelli di radiazione sono responsabilità dei fisici sanitari, che devono garantire la sicurezza degli operatori e del pubblico in modo che nessuno riceva una dose pericolosa o non necessaria per esposizione alle radiazioni. I criteri per il progetto delle schermature e l’applicazione delle misure di sicurezza sono basate sulle conoscenza aggiornata dei rischi dovuti alle radiazioni ionizzanti e degli effetti che esse provocano sull’uomo. Nel corso degli anni, con l’aumentare delle conoscenze in questo campo, la “pericolosità” delle radiazioni è andata aumentando e le norme di sicurezza adottate su scala mondiale sono diventate sempre più restrittive.

48. Il genere umano è da sempre esposto a varie forme di radiazione naturale costituite dai raggi cosmici e da tutti gli elementi radioattivi naturali (40K, gas Radon, Uranio, Torio, Radio, ecc. ecc.). Comunque i livelli di radiazione naturali sono troppo deboli per mettere in luce gli effetti dannosi delle radiazioni

49. Solo un mese dall’annuncio della scoperta dei raggi X da parte di Roentgen (gennaio 1896) un costruttore e sperimentatore di tubi sotto vuoto mostrò lesioni alla cute e alle mani che oggi indichiamo come dermatite subacuta da raggi X. Quelle lesioni erano il risultato di esposizioni ad alte dosi avvenute Manipolando apparecchi a raggi X, prima ancora del riconoscimento dei raggi X da parte di Roentgen Gli effetti dannosi delle radiazioni divennero evidenti solo alla fine dell’800 quando, in seguito alla scoperta dei raggi X (Roentgen) e della radioattivita’ (Bequerel) furono disponibili intense sorgenti di radiazione. Nel 1901 Bequerel mostrò eritema della cute in corrispondenza della tasca del vestito nella quale aveva tenuto per qualche tempo una fiala di vetro contenente sali di Radio. Poco dopo Pierre Curie si provocò intenzionalmente un eritema da Radio sulla cute del braccio ed ebbe l’idea che le radiazioni potessero avere proprietà terapeutiche.

50. Molti malcapitati ricevettero come ricostituente iniezioni di materiali contenenti Radio e Torio e furono successivamente colpiti da tumore. Nel 1903 fu scoperto che l’esposizione ai raggi X poteva indurre sterilità negli animali da laboratorio; pochi anni dopo fu annunciato che gli embrioni di uova di rospo fertilizzate con sperma irradiato con raggi X presentavano anormalità. Nel 1904 furono segnalate le prime anemie e le prime leucemie indotte da raggi X e già nel 1902 si constatò che un carcinoma cutaneo si era sviluppato su precedente dermatite da raggi. Nel 1911 furono messi in evidenza 94 casi di tumori indotti da raggi X, 50 dei quali in radiologi. Nel 1922 fu stimato che almeno 100 radiologi morirono come risultato di cancro indotto da radiazioni. Entro circa dieci anni dalla scoperta di Roentgen e Bequerel una gran parte delle patologie da dosi elevate ed intense di esposizione a radiazioni ionizzanti era stata riconosciuta e sommariamente descritta.