Fisica delle Radiazioni Ionizzanti

Fisica delle Radiazioni Ionizzanti
Dott. Mirco Amici
Esperto Qualificato
U.O.C Medicina Legale e Gestione del Rischio
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Fisica delle Radiazioni Ionizzanti
Cosa sono le radiazioni ionizzanti
Tipi di radiazioni ionizzanti
Fonti di radiazioni ionizzanti in ambito sanitario
Grandezze e unità di misura
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Energia e Radiazioni
Energia:
capacità di compiere lavoro
Radiazioni:
trasmissione di energia a distanza
Spesso in natura l’energia è sotto forma di radiazione
Ovvero la radiazione trasferisce energia tra un
sistema e l’altro
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Utilizzo delle radiazioni
L’evoluzione ha portato il sistema occhio-cervello e
orecchio-cervello ad essere in grado di analizzare le
informazioni trasportate dalla radiazione dopo che
questa ha interagito con gli oggetti che ci circondano.
La radiazione diventa perciò il veicolo per trasportare
le informazioni dal mondo esterno al nostro cervello
attraverso opportuni “sensori” (occhio e orecchio)
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Le Onde Elettromagnetiche
• Le radiazioni luminose
(visibili e non) sono
radiazioni
elettromagnetiche
• Ogni onda
elettromagnetica ha una
frequenza definita ed una
lunghezza d’onda
associata a questa
frequenza
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Propagazione delle radiazioni
Le radiazioni elettromagnetiche non richiedono un
mezzo particolare per la loro propagazione (si
propagano anche nel vuoto)
Le radiazioni meccaniche (suoni e ultrasuoni)
richiedono un mezzo per la propagazione (nel vuoto
non si propagano)
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Le onde elettromagnetiche sono una forma di propagazione
dell’energia nello spazio e, a differenza delle onde meccaniche,
si possono propagare anche nel vuoto.
Il campo elettrico (E) e il campo magnetico (H) oscillano
perpendicolarmente alla direzione dell’onda.
Ogni onda elettromagnetica è definita dalla sua frequenza,
cioè il numero di oscillazioni compiute in un secondo, e si
misura in cicli al secondo o Hertz (Hz); maggiore è la frequenza
di un’ onda, maggiore è l’energia che trasporta
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Definizioni
La classificazione delle onde elettromagnetiche basata sulla
frequenza viene generalmente indicata col nome di "spettro
elettromagnetico" in cui si individuano due classi principali:

le "radiazioni ionizzanti", caratterizzate da frequenze
estremamente alte (raggi X e gamma), che possiedono
un'energia quantica sufficiente in grado di rompere i legami
chimici delle molecole e degli atomi;

le "radiazioni non ionizzanti" (NIR – Non Ionising Radiation) a
frequenza inferiore (fino a quella della luce visibile), per le
quali l'energia a esse associata è sensibilmente inferiore
all'energia dei legami chimici delle molecole biologiche
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Le radiazioni elettromagnetiche
onde radio
onde radar
microonde
raggi infrarossi
luce visibile
raggi ultravioletti
raggi X
raggi gamma
radiazioni non ionizzanti (NIR)
radiazioni ionizzanti (RI)
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Tipi di Radiazioni Ionizzanti
Corpuscolari :
•
particelle leggere elettricamente
cariche (elettroni, positroni)
•
particelle pesanti elettricamente
cariche (particelle alfa)
•
particelle neutre (neutroni)
Elettromagnetiche : raggi X e gamma
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Ionizzazione
• L’energia trasportata viene ceduta agli elettroni e ciò
determina la formazione di uno ione
• L’elettrone libero produce ulteriori ionizzazioni negli
atomi che incontra
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Ionizzazione
Uno ione è una specie atomica elettricamente carica.
A causa della carica elettrica che posseggono gli ioni
sono estremamente reattivi e instabili.
La ionizzazione è un fenomeno a soglia che richiede una
quantità di energia pari almeno a 12 eV.
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In base al meccanismo di produzione degli ioni le radiazioni
si suddividono in:
Direttamente ionizzanti: sono le radiazioni corpuscolari,
elettricamente cariche, aventi sufficiente energia cinetica
per produrre ionizzazione tramite collisione diretta con gli
atomi del materiale investito. Sono elettroni, protoni,
particelle alfa, ecc.
Indirettamente ionizzanti: sono le radiazioni corpuscolari ed
elettromagnetiche, elettricamente neutre, che possono
provocare ionizzazione solamente attraverso meccanismi
intermedi: a) cedendo la loro energia a particelle cariche,
che possono poi ionizzare direttamente, b) provocando
reazioni nucleari nella materia attraversata con
conseguente emissione di particelle cariche. Sono: raggi x,
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raggi gamma, neutroni.
I parametri che caratterizzano le interazioni
sono:
- Tipo di radiazione
- Energia della radiazione
- Caratteristiche del bersaglio (dimensioni,
materiale, ecc)
Al variare dei parametri sopra citati la
radiazione incidente può essere
assorbita, riflessa, trasmessa.
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E’ sulla base di questi elementari principi che si basa la
formazione di una immagine radiografica.
Parte dei raggi X emessi dall’apparecchio RX vengono
assorbiti dal bersaglio (organo da visualizzare) e parte
viene trasmessa.
Il diverso comportamento del bersaglio alla medesima
radiazione (le ossa assorbono più dei tessuti molli,
ovvero i tessuti molli trasmettono più del tessuto
osseo) consente un diverso annerimento del supporto
radiografico (pellicola/rilevatore cr)
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Quando un fascio di raggi X attraversa un soggetto,
l’intensità del fascio subisce una serie di attenuazioni a
seconda del tessuto, dello spessore, dalla geometria
dell’esposizione etc.
Questa modulazione viene trasformata dal sistema di
rilevazione in una variazione delle densità ottiche con
associati differenti valori dei grigi.
Ad un maggior assorbimento dei raggi X corrisponderà
una zona più chiara; ad un minor assorbimento di raggi X
corrisponderà una zona più scura.
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Capacità di penetrazione
La capacità di penetrazione all’interno della materia dipende
dall’energia, dal tipo di radiazione emessa e dalla composizione e
dallo spessore del materiale attraversato.
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Fonti di Radiazioni
Ionizzanti in ambito
sanitario
apparecchi a raggi X
sostanze radioattive
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Raggi X
I raggi X e gamma sono delle onde elettromagnetiche di
lunghezza d’onda compresa tra 10-8 e 10-14 m.
La distinzione tra raggi X e gamma riguarda soltanto la
loro origine. Si parla di raggi X per la radiazione
elettromagnetica di origine atomica. Si parla di raggi
gamma per la radiazione elettromagnetica di origine
nucleare.
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Tubo RX
Il catodo ha la funzione di generare un fascio di elettroni,
che vengono accelerati da un campo elettrico creato
applicando alta tensione tra i due elettrodi.
Al momento dell’impatto avviene una serie di interazioni
tra gli elettroni incidenti e la struttura atomica del
materiale costituente l’anodo, il cui risultato utile è
l’emissione di raggi X.
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Tubo RX ad anodo fisso
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Tubo RX ad anodo rotante
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Sostanze radioattive
La radioattività è la proprietà che gli atomi di alcuni
elementi di emettere spontaneamente radiazioni
ionizzanti.
La scoperta della radioattività
avvenne alla fine dell’800 ad
opera di Henry Bequerel e dei
coniugi Curie
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La radioattività
L’uomo è esposto alla radioattività fin dal momento della sua
apparizione sulla terra.
Tutto quello che ci circonda ed emette radiazione fa parte del FONDO
NATURALE DI RADIAZIONE.
RADIOATTIVITA’ AMBIENTALE
FONDO NATURALE =
+
RAGGI COSMICI
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Fondo naturale di radiazioni
Ambientale: radionuclidi presenti nelle rocce, nei cibi, nei materiali di
costruzione.
Raggi cosmici: provenienti dallo spazio
La dose annualmente assorbita da ogni individuo della
popolazione per effetto della radioattività naturale è
mediamente di 2,4 mSv/anno
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Fondo naturale di radiazioni
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Radioattività Naturale
Le dosi da materiali radioattivi
naturali varia fortemente sul
territorio nazionale
Aosta 0.02 mSv/anno
Viterbo 2 mSv/anno
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Attività di una sorgente radioattiva
Per indicare la “quantità” di radioattività presente in una sostanza si usa la
grandezza ATTIVITA’:
il numero di trasformazioni che essa subisce nell’unità di tempo
1 Bequerel = 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo
Il Bequerel ha sostituito il Curie: 1 Ci =3.7*1010 Bq
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La Radioattività
La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro
atomo, che può essere anch’esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata
DECADIMENTO.
Questa trasformazione può completarsi in tempi brevi o molto lunghi.
Una misura di tali tempi è data dal tempo di dimezzamento T1/2, che esprime il
tempo alla fine del quale la metà degli atomi radioattivi inizialmente presenti
ha subito una trasformazione spontanea
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Grandezze ed unità di misura
I concetti di dosimetria e le definizioni delle grandezze
dosimetriche per usi in protezione sono definiti dall’ ICRP
(International Commission for Radiation Protection) e
dall’ ICRU (International Commission on Radiation Units
and measurements)
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Scopi e Obbiettivi dell’ICRP
• Fornire a livello internazionale linee guida sui principi
fondamentali della radioprotezione
• Fornire consigli agli organismi di governo sul corretto
uso delle radiazioni ionizzanti
• Fornire un livello adeguato di protezione per l'uomo
senza limitare eccessivamente le pratiche giustificate
che comportano un aumento dell’esposizione
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Grandezze dosimetriche in uso in
Radioprotezione
Sono tre i tipi di grandezze rilevanti per scopi di
radioprotezione:
•Quantità fisiche
•Grandezze limite
•Grandezze operative
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Grandezze dosimetriche
•Le quantità fisiche sono misurabili ma poco interessanti
per valutare il “danno biologico”
•Le grandezze limite NON sono misurabili: rappresentano
bene il “danno biologico”
•Le grandezze operative sono misurabili
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Quantità Fisiche e Grandezze Limite
Energia assorbita
nel mezzo
ICRP 60
D.Lgs. 241/00
Dose Assorbita
[Gy]
Fattori peso per il tipo di
radiazione wr
Dose Equivalente
[Sv]
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Tipo ed intervallo di energia
Fattori di peso ( ICRP 60)
Fotoni, tutte le energie
1
Elettroni e muoni, tutte le energie
1
Neutroni, energia< 10 keV
5
10 keV-100 keV
10
> 100 keV - 2 MeV
20
> 2 MeV - 20 MeV
10
> 20 MeV
5
Protoni
5
Particelle alfa, frammenti di fissione, nuclei pesanti
20
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Quantità Fisiche e Grandezze Limite
Energia assorbita
nel mezzo
Dose Assorbita
[Gy]
Fattori peso per il tipo di
radiazione wr
ICRP 60
D.Lgs. 241/00
Fattori peso per il tipo di
tessuto attraversato wt
Dose Equivalente
[Sv]
Dose Efficace
[Sv]
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Tessuto o organo
Fattori di peso ( ICRP 60)
Gonadi
0,20
Midollo osseo (rosso)
0,12
Colon
0,12
Polmone
0,12
Stomaco
0,12
Vescica
0,05
Mammella
0,05
Fegato
0,05
Esofago
0,05
Tiroide, altri tessuti
0,05
Cute
0,01
Superfici ossee
0,01
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Se il rischio globale risultante da una data dose di radiazione
distribuita uniformemente al corpo intero viene assunto uguale ad 1,
allora tale rischio si deve considerare ripartito tra i vari organi
secondo le percentuali indicate in tabella
Ad esempio se il polmone fosse esposto ad una data dose, il rischio
risultante sarebbe 0.12 volte quello atteso nel caso di un’esposizione
uniforme dell’intero corpo alla stessa dose
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Dosimetria individuale in termini di
Hp(d)
Nel caso di dosimetria per irradiazione totale del corpo, la
grandezza limite, indicata dalla normativa, è la Dose
Efficace E.
La grandezza operativa appropriata per la sua valutazione
è l’Equivalente di Dose Personale Hp(d).
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Grandezze Operative
Le grandezze operative sono grandezze definite allo scopo di misure di
radioprotezione nel caso di esposizione esterna, ambientale e
personale.
Esse sono definite affinché costituiscano una stima ragionevolmente
conservativa delle grandezze limite che non sono direttamente
misurabili.
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Equivalente di Dose Personale
L’Equivalente di Dose Personale, Hp(d) corrisponde all’Equivalente di
Dose in tessuto molle ad una profondità d sotto uno specificato punto
del corpo.
Le profondità raccomandate per le radiazioni debolmente penetranti
sono 0.07 mm per la pelle e 3 mm per il cristallino, mentre 10 mm è la
profondità raccomandata per radiazioni fortemente penetranti per il
corpo intero.
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Quantità fisiche (solo fotoni)
Kerma, K -> Gy
Dose Assorbita, D -> Gy
Grandezze operative
Equivalente di Dose Personale -> Hp(d) Sv
Grandezze limite:
Dose equivalente per singoli organi H
Dose Efficace per il corpo intero E
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L’Equivalente di Dose Personale soddisfa diversi criteri:
•È unico per tutti i tipi di radiazione;
•È additivo rispetto alle varie direzioni di incidenza della radiazione;
•Tiene conto dell’assorbimento e della retro-diffusione del corpo (su
cui è indossato il dosimetro);
•È misurabile da un dosimetro indossato sul corpo umano;
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Dose Efficace
Con opportuni dosimetri posso misurare le grandezze
operative e con opportuni calcoli posso ricavare la DOSE
EFFICACE
La dose efficace dipende da molti fattori:
-Energia della radiazione
-Distanza dalla sorgente
-Dimensione e orientamento dei fasci
-Uso e tipo di indumenti protettivi
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Dose Efficace
Dipendenza dall’ energia
“bassi” kV
“alti” kV
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Dose Efficace
Dipendenza dalla geometria
Fascio dal “basso”
Fascio dall’ “alto”
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Dose Efficace
Dipendenza dall’uso dei Dispositivi di Protezione Individuali (DPI)
Camice piombato
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Dose Efficace
E = Hp (10) * W
Il fattore W tiene conto di tutti gli elementi discussi prima.
Data la grande varietà di situazioni è molto difficile trovare un unico
fattore valido per tutti gli esposti.
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Misura dell’equivalente di dose
personale Hp (10)
• Dosimetri a film
• Dosimetri a termoluminescenza (TLD)
• Dosimetri elettronici
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Caratteristiche di un dosimetro
Sensibilità e risoluzione
Range e soglia di rivelazione
Risposta lineare con la dose
Indipendenza dalla qualità del fascio
Omogeneità, riproducibilità, fading
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Il corretto utilizzo
Posizionamento
Periodo di utilizzo
Esposizione alla luce
Esposizione a fonti di calore
Sterilizzazione
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Dosimetri a Film
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DOSIMETRO ELETTRONICO
Lettura diretta della dose
Utile per monitorare situazioni a rischio
Pratico per visitatori occasionali
Possibilità di disattivarlo
Fornisce la dose profonda Hp(10)
Misura il fondo ambientale!!!
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Dosimetri a termoluminescenza (TLD)
Il loro funzionamento si basa sul fenomeno della termoluminescenza
che consiste nell’emissione di luce, a seguito di riscaldamento, da
parte del materiale precedentemente irraggiato.
L’intensità della luce emessa risulta proporzionale alla dose
assorbita.
Il riscaldamento del materiale, cioè la lettura del dosimetro,
cancella l’informazione.
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Sistema di lettura per
dosimetri a
termoluminescenza
Dosimetri personali TLD
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