UNIVERSITÀ degli STUDI di PAVIA
INFN - sez. Pavia
dip. Fisica nucleare e teorica
via bassi 6, 27100 pavia, italy - tel. 038298.7905
[email protected] - www.unipv.it/webgiro
elio giroletti
Elio
li GIROLETTI - Università
i
i degli
d li Studi
di di
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febbraio 2009
grandezze in
radioprotezione
ELEMENTI DI RADIOPROTEZIONE - elio giroletti
Introduzione
Grandezze di campo
Grandezze dosimetriche
Grandezze radioprotezionistiche
Grandezze operazionali
Limiti operativi derivati, LOD
Radioecologia
Conclusioni e discussione
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Unità di misura dell’energia
in fisica nucleare l’energia delle particelle nel SI si
misura in elettronvolt (eV) e nei suoi multipli:
1 keV =103 eV - 1 MeV =106 eV - 1 GeV =109 eV
1 eV è l’energia cinetica di una particella di carica
unitaria
it i (protone,
( t
elettrone)
l tt
) accelerata
l t da
d una differenza
diff
di potenziale di 1 Volt - elettroni accelerati da una d.d.p.
di 6 MVolt hanno energia cinetica pari a 6 MeV
1 eV = 1,602E-12 erg = 1,602E-19 joule
• 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
Corvisiero, Ge, 2003
1
numero di ionizzazzioni
Esempio: poichè i legami chimici sono caratterizzati da
energia w = 20÷30 eV, per es. la particella α del 210Po
(energia E = 5,3 MeV) è in grado, prima di arrestarsi in
tessuto, di “rompere” ~200.000 legami molecolari...
N=
E 5,3 ⋅ 106
=
≈ 2 ⋅ 105
w
25
Si tratta di un numero elevato di rotture molecolari…,
considerando che 1 cm3 di materiale biologico
(assimilato all’acqua) contiene ~109 cellule e
~ 3,3·1022 molecole
N
6,023 ⋅ 1023
N cell = ρ A = 1
≈ 3 ⋅ 1022 cm −3
Amol
(16 + 2 )
Elio
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aspetti da considerare…
caratterizzare
l’ambiente
valutare
la dose
individ
individ.
caratterizzare
considerare:
la sorgente
tempi, distanze,
schermature ed altre protezioni (es. contaminazione ambientale)
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
grandezze fisiche
• universalmente accettate per la
caratterizzazione dei
campi di radiazione
• definite in un qualsiasi punto
del campo e la misura è
direttamente ottenuta da un
campione primario.
2
alcune grandezze radiometriche
e operative in radioprotezione
• Attività (e concentrazione volumica
o superficiale di radioattività), Bq
• Fluenza
Fluenza,, Φ = dN/da (di solito per neutroni), m-2
• Kerma ((e rateo),
), raggi
gg X (g
(gamma e neutroni),
), Gy
y
• Dose assorbita (e rateo) in aria, H2O o tessuto, Gy
• Equivalente di dose (e rateo) nella sfera ICRU, Sv
• ambientale H*(d), d=10 mm
• direzionale H’(d, Ω), d=10, 3 o 0,07 mm
• Equivalente di dose personale
personale,, Hp(d), Sv
• d= 10, 3 e 0,07 mm
Elio
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grandezze di campo
dN
Φ=
da
fluenza di particelle (fluence)=
(fluence)= grandez
grandez-za scalare dove dN numero di particelle (o
fotoni) che incidono sulla sfera di sezione
massima da unità di misura SI: m-2
ϕ=
dΦ
dΦ
d 2N
=
dt da ⋅ dt
p=
dϕ
d 3N
=
dΩ da ⋅ dt ⋅ dΩ
ICRU Report 33, 1980
rateo o intensità di fluenza di
particelle (o flusso, flux)
unità di misura SI: m-2 s-1
radianza di particelle
(radiance)
unità di misura SI: m-2 s-1 sr-1
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
DISTANZA
⎛x ⎞
n( x ) = n( x0 )⎜ 0 ⎟
⎝ x⎠
2
è questione di geometria…
(sorgente puntiforme)
3
DISTANZA
(per sorgenti puntiformi o ….quasi)
⎛x ⎞
Φ ( x ) = Φ ( x0 )⎜ 0 ⎟
⎝ x⎠
2
120
100
La riduzione della fluenza è notevole
specialmente alle brevi distanze
80
60
distanz a
dose
40
5
100
10
25
50 100
1 0,25
20
0
0
20
40
60
80
100
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esempio
calcolare ll’intensità
intensità di
fluenza (flusso) di
particelle β e di fotoni γ
alla distanza r=2 m (nel
vuoto) da una sorgente
puntiforme di 60Co,
attività A=37 MBq
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
esempio: calcolare l’intensità di fluenza
(flusso) di particelle β e di fotoni γ a 2 m (nel
vuoto) da una sorgente puntiforme di 60Co,
attività A=37 MBq
La sorgente di 60Co emette 1 β (ε=100%) e 2 γ per
disintegrazione (ε=200%) e, pertanto, 37·106 β/s e
7,4·107 γ /s – tutte incidono sulla sfera di raggio r ogni
secondo
d
ϕ=
ϕ (β ) =
A⋅ε
A⋅ε
=
S sfera 4πr 2
A⋅ε
37 ⋅ 106 ⋅ 1
=
= 73,65 β ⋅ s −1cm −2
2
2
4πr
4π ⋅ (200)
A ⋅ ε 37 ⋅ 106 ⋅ 2
ϕ (γ ) =
=
= 1,47 ⋅ 106 γ ⋅ s −1m −2
4πr 2
4π ⋅ 22
4
effetto distanza
100.000,00
⎛r ⎞
I (r2 ) = I (r1 )⎜⎜ 1 ⎟⎟
⎝ r2 ⎠
Radionuclide
192Ir
attività
1 TBq
2
SORGENTE
1.000,00
192
Ir - 1TBq
10,00
Dose,
Gy/min
sorgente puntiforme
0,10
distanza, m
0,00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Distanza
(m)
Intensità di dose
(mGy/min)
0,01
0,5
1,0
10
22.000
8,8
2,2
0,022
9
10
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grandezze di campo
pE =
dp
d 4N
=
dE da ⋅ dt ⋅ dΩ ⋅ dE
Distribuzione spettrale della radianza di particelle
=numero di particelle di una determinata energia cinetica
che passa in un certo istante in un prefissato punto dello
spazio, propagandosi in una fissata direzione, per unità di
superficie perpendicolare alla direzione del loro moto, per
unità di tempo, per unità di angolo solido e per unità di
energia
unità di misura SI = m-2 s-1 sr-1 J-1
Φ = dt dE pE dΩ
∫ ∫ ∫
ICRU Report 33, 1980
T
E
Ω
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
grandezze di campo
Energia radiante, R(E) =energia delle particelle
(esclusa quella di quiete) emessa, trasferita o
ricevuta unità di misura SI = J
RE =
dR ( E )
dE
dR
Ψ=
da
Distribuzione spettrale
energia radiante
ICRU Report 33, 1980
Fluenza di energia =somma delle energie
(escluse quiete) delle particelle che attraattraversano la sfera, dove dR è l’energia raradiante incidente su una sfera infinitesima
di sezione massima da centrata nel punto
di interesse unità di misura SI = J m-2
5
grandezze di campo
dΨ
d 2R
=
ψ=
dt dt ⋅ da
r=
Intensità o densità di fluenza di
energia
unità misura SI = J m-2 s-1 o W m-2
dψ
d 3R
=
dΩ da ⋅ dt ⋅ dΩ
radianza di energia
unità misura SI = W m-2 sr-1
Ψ=
∫∫∫ Ep dtdΩdE
E
E ,Ω ,t
ICRU Report 33, 1980
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
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grandezze di campo
Ф(E) e Ψ(E) sono, rispettivamente, la fluenza di particelparticelle e la fluenza di energia relative a particelle di energia
cinetica ≤E
E
Φ ( E)) = ∫ Φ E dE
0
E
E
0
0
Ψ ( E)) = ∫ ΨE dE = ∫ EΦ E dE
valor medio energia delle particelle presenti
Emax
∫ EΦ dE
Emax
E
EΦ =
0
Emax
∫ Φ dE
E
0
∫ EΨ dE
E
≠
EΨ =
0
Emax
∫ Ψ dE
E
0
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Fonte: IAEA, RAdiation Oncology Physics, 2005
grandezze di campo
6
esempio: calcola l’intensità di fluenza di
energia (gamma) a 2 m (nel vuoto) da una
sorgente di 60Co di attività A=37 MBq.
la sorgente di 60Co ogni disintregrazione emette 1 γ da
1170 keV (ε=100%) e 1 γ da 1330 keV (ε=100%)
•
E •
E
0
0
Ψ ( E ) = ∫ Ψ E dE = ∫ Eϕ E dE =
•
Ψ=
A
4πr 2
∑i =1 ε i Ei =
2
A
4πr 2
∑ε E
i
i
i
37 ⋅ 106
(1,17 + 1,33) = 1,8 ⋅ TeV ⋅ s −1m −2
4π ⋅ 22
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PERDITE …RADIATIVE
scattering compton
http://physics.nist.gov
irragg. annichilazione
μ=μ(E,mezzo)
X caratteristici
bremsstrahlung
μ=τ+σ+κ
μtr=μ-σ
μen
Rapporto tra coefficiente di attenuazione
attenuazione,, μ, coefficiente trasferimento
di energia,
energia, μtr, e coefficiente di assorbimento di energia,
energia, μen, e processi
di perdita radiativa che propagano energia all’esterno del mezzo
assorbente (radiaz. elettromagn.) Fonte: J.E.Martin, Physics for radiation protection, Wiley-Vch
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
DEPOSIZIONE DI ENERGIA
IN PROFONDITA’
7
CONDIZIONI DI EQUILIBRIO
• equilibrio di radiazione: l’energia radiante entrante
in un punto è pari all’energia radiante uscente
(difficile da realizzare)
• equilibrio particelle cariche: numero di particelle
cariche che entrano in un punto è pari al numero di
quelle che escono – si realizza quando l’elemento
di volume di interesse è immerso in una porzione
di materia di dimensioni non inferiori al percorso
massimo dei secondari carichi messi in moto,
purché la fluenza di energia dei primari non vari
apprezzabilmente
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grandezze radiometriche
esposizione X =
dQ
dm
•
X
=
dX
dt
dove: dQ è il valore assoluto della carica totale degli ioni
di un solo segno prodotti in aria quando tutti gli elettroni
(positivi o negativi) liberati dai fotoni nell’elemento di
volume di massa dm sono completamente fermati in
aria. Unità di misura SI: C.kg-1 (ro
(roë
ëntgen, R, 1R = 2,58
10-4 C kg-1=3,33 10-10 C cm-3 a NTP, ρ=1,293 g/m-3)
• NB: per la sua misura occorre sempre avere almeno
l’equilibrio delle particelle cariche (ciò si realizza solo per
fotoni con E<3 MeV)
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
grandezze radiometriche
esposizione X =
dQ
dm
In condizioni di equilibrio delle particelle cariche
(ciò si realizza solo per fotoni di E<3 MeV)
⎛μ ⎞
1
X = hνΦ ⎜⎜ en ⎟⎟
e
⎝ ρ ⎠ aria Waria
X =Ψ
e ⎛ μen ⎞
⎜
⎟
Waria ⎜⎝ ρ ⎟⎠ aria
dove: μen/ρ =coefficiente di assorbimento di energia massico
dell’aria; Waria =energia necessaria in media per produrre uno ione
in aria (~34 eV); Ψ e ϕ =fluenza di energia e di fotoni,
rispettivamente.
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
8
esposizione
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grandezze radiometriche
dEtr Kerma
kinetic energy released to matter (più
K=
dm generale rispetto all’esposizione)
grandezza scalare, dove dEtr è la somma delle energie
cinetiche iniziali di tutte le particelle cariche ionizzanti
messe in moto in un elemento di volume dm dalle
radiazioni indirettamente ionizzanti
NB: specificare sempre il mezzo – è indipedente da
equilibrio particelle cariche
unità di misura: gray, 1Gy=1 J kg-1
ICRP Public. 74, 1996
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
grandezze radiometriche
kerma K =
dEtr
dm
in condizioni di equilibrio delle particelle cariche
⎛μ ⎞
⎛μ ⎞
K m = ⎜⎜ tr ⎟⎟ Ψ = ⎜⎜ tr ⎟⎟ Φ Eneutroni
ρ
⎝ ⎠m
⎝ ρ ⎠m
Karia =
X =Ψ
e
Waria
⎛ μen ⎞
⎜⎜
⎟⎟
⎝ ρ ⎠aria
W
1
W ⎛μ ⎞
Waria (μtr / ρ )aria
X ≈ 114,5X
X = aria ⎜⎜ tr ⎟⎟ Karia = aria
e (1− g)
e ⎝ μen ⎠aria
e (μen / ρ )aria
dove: g è la frazione di energia irraggiata dagli elettroni
secondari in aria; NB: qui le equazioni sono riferite a
particelle monocromatiche
ICRP Public. 74, 1996
9
grandezze radiometriche
dε
1 ε
dose assorbita D = dm = Vlim
→0 ρ V
Ei
m
Eu
dove:
D =dose assorbita; ε valor medio dell’energia impartita
alla materia in un volume infinitesimo di massa dm (non
è la derivata di ε rispetto alla massa)
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
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dose assorbita, Dm
ICRU Report 33, 1980
D m = Dm =
Dose
grandezza scalare
dove dε è l’energia media impartita
dalla radiazione ionizzante
all’elemento di volume di massa dm
dε
ε 1
ε Ein − Eout + ∑ Q Ei − Eo
= lim
li
= lim
li
≈
≈
m
→
0
V
→
0
dm
m ρ
V
m
m
unità misura: gray, Gy
1Gy =1 J/kg =100 rad ≈6 keV/μ
keV/μm3
)
)
)
ε impartita (Ecinetica particelle cariche messe in moto)
ε impartita netta (Ecinetica particelle cariche - Efotoni frenamento )
ε assorbita (Edepositata nel volume)
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
10
grandezze radiometriche
dose assorbita nel mezzo, m
Dm =
dε
dm
In condizioni di equilibrio delle particelle cariche
Dm =
(μen / ρ )m
(μen / ρ )m ⎛⎜ Waria
Daria = (μen / ρ )m Daria =
a
(μen / ρ )aria
(μen / ρ )aria ⎜⎝ e
⎞
X ⎟⎟
⎠
per fotoni di 0,1< E <3 MeV (predomina eff.compton)
Dm ≈
Waria (Z / A)m
X
e (Z / A)aria
Esempio: una camera a ionizzazione di volume V=5 cm3 in 1 minuto raccoglie una carica
Q=6 10-11 C; calcolare l’esposizione in C/(kg.h)
e in R/h, e la dose assorbita in aria e nel
tessuto, in mGy/h (in condizioni di equilibrio)
Ricorda: 1 R =2,58 10-4 C/kg; ρaria=1,293 g/m-3 a NTP;
μen/ρ =0,028
0,028 g/cm2 in aria e 0,030 g/cm2 in tessuto
X=
Q
ρV
Da =
t=
6 ⋅ 10−11
1
−1
60 = 5,56 ⋅ 10−4 C (kg ⋅ h )
= 2,2 Rh −1
1,293 ⋅ 5 ⋅ 10−6
2,58 ⋅ 10−4
Waria
X = 0,00869 ⋅ 2,2 = 19,1mGy / h
e
(μ / ρ )tess
0,030
Dtess = en
D =
19,1 = 20,5mGy / h
(μen / ρ )aria aria 0,028
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Relazione tra dose e esposizione
Nota l’esposizione si può calcolare la dose
D[Gy] = f . X [Ckg-1]
f=fattore conversione (dipende dal mezzo e dalla energia)
Energia assorbita in 1 g di aria esposta a 1 [Ckg-1]
di raggi X è 0.869 [Gy]; f(aria) = 0.869
fatt.conversione ([Gy] / [Ckg-1])
Energia
fotoni
10 keV
100 keV
acqua
osso
muscolo
0.91
3.5
0.93
0.95
1.5
0.95
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
C (E )
D = ϕ ⋅ C (E )
Dors
schel B, Schuricht V, Stener J, The
phys
sics of radiation protection, Nuclear
Tech
hnology Publishing, Asford, 1996
fluence--to
fluence
to--dose
11
Esempio: calcolare l’intentità di dose oraria
assorbita in tessuto, a 1 m da una sorgente
puntiforme di 60Co la cui attività è A=37 MBq
La sorgente di 60Co emette 2 γ per disintegrazione
(ε=200%) di circa 1,25 MeV e, pertanto, 7,4E7 γ /s
ϕ=
•
A⋅ε
A⋅ε
=
S sfera 4πr 2
D = ϕ ⋅ C(E) =
D = ϕ ⋅ C (E )
A⋅ε
37 ⋅ 106 ⋅ 2 −11
C
(
E
)
=
10 3600 = 21,2 μGy ⋅ h −1
2
4πr 2
4π ⋅ (100)
C(E)=1E-11 Gy*cmq
fattore di conversione Dose Vs Fluenza (da figura precedente)
DOSIMETRIA AI… CONFINI
KT (μtr / ρ )T
DT (S / ρ )coll ,T
=
=
K a (μen / ρ )a
Da (S / ρ )coll ,a
grandezze ddosimetriche
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fi
fisici della radioprotezione, ed. Pirola
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X
D
K
Фγ
Фel.secondari
ARIA, a TESSUTO, T
profondità
andamento delle principali grandezze radiometriche per fotoni
primari di energia ~MeV in aria/tessuto
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
BRAGG--GRAY cavity e equilibrio elettronico
BRAGG
12
kerma, dose, esposizione
La dose in superficie incrementa fino a raggiungere il
kerma, purché i fotoni primari non siano attenuati (esiste
una regione di equilibrio elettronico) – non reale -
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kerma, dose, esposizione
La dose in superficie incrementa fino a raggiungere e
superare il kerma se attenzuazione primari è signisignificativa (non esiste una regione di equilibrio elettronico)
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
TEORIA DELLA CAVITÀ
Si misura
in un gas
per derivare
la dose in un
mezzo
qualsiasi m
qualsiasi,
dim. camera e pareti << percorso sec. carichi
Dm =
1
Dgas
f
⎛S⎞
Dm = ⎜⎜ ⎟⎟
Dgas
⎝ ρ ⎠m / gas
⎛μ ⎞
Dm = ⎜⎜ en ⎟⎟
Dgas
⎝ ρ ⎠ m / gas
dim. camera e pareti >> sec. percorso carichi
Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
13
ICRP 74 & ICRU
dose media all’organo, DT
i potenziali effetti biologici (deterministici o stocastici)
sono proporzionali alla dose (media) assorbita dall’ordall’organo T, DT; dove: D è la dose assorbita dall’organo di
massa mT
DT =
∫ ρ ( x, y, z ) D( x, y, z )dV
T
∫ ρ ( x, y, z )dV
=
1
mT
∫ D dm ≈
mT
Ei − Eu
mT
T
unità misura: gray, Gy
1Gy =1 J/kg =100 rad ≈6 keV/μ
keV/μm3
es.: ovaie: 10 g
corpo intero: 70 kg
Ei
Eu
mT
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Fonte: ICRP 1991, 1990 Recommend
dations of ICRP
effetti stocastici
LΔ = (
dE
)Δ
dl
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
radiation quality factor
Radiation quality factor considers absorbed energy
distribution at microscopic level; it takes into account the
differences between radiations; generally (ICRP) radiation
quality factor is a function of LET in water
L (keV· μ m -1 )
Q(L)
< 10
1
10-100
0,32· L- 2,2
> 100
300/ √ L.
p.0.1.2. dell’Allegato IV del DLgs 230/95 e smi (e ICRP60, 1991)
14
radiation quality factor
35
30
Fattore di qualità, Q, e LET
25
20
15
10
5
LET non ristretto, keV/um
0
1
10
100
1000
p.0.1.2. dell’Allegato IV del DLgs 230/95 e smi (e ICRP 2007)
Elio
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wR and average quality factor
average quality factor: average value of quality factor in a
tissue point when absorbed dose is imparted by particles
with different not restricted LET, L:
wR = Q =
1 ∞
Q ( L) DL dL
D ∫0
where DLdL absorbed dose at 10 mm deep in LET
interval L e L+dL, in water
water, Q(L) is quality factor in
that point.
p.0.1.2. dell’Allegato IV del DLgs 230/95 e smi
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Dose equivalente, HT
Ogni radiazione ha una efficacia biologica specifica
HT è definita per gli effetti stocastici
H R ,T = wR DT ,R
H T = ∑ wR DT ,R
R
unità di misura: sievert, Sv
1Sv = 1J/kg = 100 rem
1 rem = 100erg/g
non è una grandezza fisica, ma radioprotezionistica
15
weighting factors, wR
ICRP 103, 2007 (ICRP 60)
photons
1
electrons(a) and muons
1
protons
2 (5, E>2 MeV)
charged pions
2 (not included)
alpha particles, fission frangements,
heavy ions
20
neutrons: a continuus (stepwise) curve as
a function of neutron energy
<20 (varied)
Note: All values relate to the radiation incident on the body or, for
internal radiation sources, emitted from the incorporated
radionuclide(s); (a) Special issue for Auger electrons.
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wRneutrons = 5 + 17 ⋅ e
−
[ln( 2⋅E [ MeV ])]2
6
d.lgs 230/95
ICRP60, 1991
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
wR(neutroni): ICRP 103 e ICRP 60
16
Esempio: calcolare la dose equivalente
complessivamente ricevuta dall’organo T, se la
dose assorbita media totale, D=10 mGy, è così
ripartita: 4 mGy da radiazione gamma, 3 mGy da
beta e 2 mGy da neutoni termici e 1 mGy da
neutroni da 500 keV (e il rovescio).
H T (t ) = ∑ wR DT ,R (t )
R
NB: wR(γ)=wR(β)=1; wR(nterm)=5; wR(n500keV)=20
HT = ∑wR DT ,R = 4 ⋅1 + 3 ⋅1 + 2 ⋅ 5 + 1⋅ 20 = 37mSv
R
HT = ∑wR DT ,R = 1⋅1 + 2 ⋅1 + 3⋅ 5 + 4 ⋅ 20 = 98mSv
R
Elio
li GIROLETTI - Università
i
i degli
d li Studi
di di
Pavia & INFN Pavia
febbraio 2009
Esempio: calcolare la dose equivalente
complessivamente ricevuta dall’organo T, se la
dose assorbita totale, D=10 mGy, è così ripartita:
4 mGy da radiazione gamma, 3 mGy da beta e 2
mGy da neutoni termici e 1 mGy da neutroni da
300 keV (secondo ICRP60 e ICRP103).
H T (t ) = ∑ wR DT ,R (t )
R
wR(γ)=wR(β)=1; wR(nterm)=5 (2,5); wR(n300keV)=20 (15)
HT = ∑wR DT ,R = 4 ⋅1 + 3 ⋅1 + 2 ⋅ 5 + 1⋅ 20 = 37mSv
R
HT = ∑wR DT ,R = 4 ⋅1 + 3⋅1 + 2 ⋅ 2,5 + 1⋅15 = 27mSv
R
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Organo o tessuto
Gonadi
Midollo osseo emopoiet.
Colon
Polmone, vie toraciche
Stomaco
Vescica
Mammella
Fegato
Esofago
Tiroide
Pelle
Superficie ossea
Altri organi e tessuti
TOTALE COMPLESSIVO
stima rischio (*) Fatt. pond.
($) wT
(casi 10-2 Sv-1)
0,92
0,20
0,83
0,12
0,82
0,12
0,64
0,12
0,8
0,12
0,24
0,05
0 29
0,29
0 05
0,05
0,13
0,05
0,19
0,05
0,12
0,05
0,03
0,01
0,06
0,01
0,47
0.05
5,6
1,00
17
dose efficace, E
ogni organo ha una radiosensibilità propria
E è definito per gli effetti stocastici
E = ∑wT ∑wRDT ,R = ∑wT HT
T
R
unità misura: sievert, Sv
1Sv = 1J/kg - 1Sv=100 rem
(d.lgs 230/95 e ICRP 60)
T
∑w
T
=1
T
non è una grandezza fisica, ma radioprotezionistica
(effetti stocastici) ed inoltre non è misurabile
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Contributo relativo a E(AP) - fotoni
Fonte:
ICRP 74,
1992
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Dgonads AP/PA e fluenza di neutroni
Fonte:
ICRP 74
ICRU 57, 1995
18
E, dose efficace
(presente e futuro)
E = ∑wT HT = ∑wT ∑wRDT,R
T
T
R
Fonte: ICRP60,, 1991 e d.lgs
g 230/95 smi
⎛ HTM + HTF ⎞
⎟⎟
E = ∑wT ⎜⎜
2
T
⎝
⎠
Fonte: ICRP 103, 2007
unità misura: sievert, Sv
1Sv = 1J/kg - 1Sv=100 rem
Fonte: IC
CRP 103, 2007
Elio
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⎛ HM + HTF ⎞
⎟⎟
E = ∑wT ⎜⎜ T
T
⎝ 2 ⎠
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Fattori ponderazione, wT , ICRP 103, 2007
19
Organo o tessuto
Gonadi
Midollo osseo emopoiet.
Organi e tessuti
Colon
rimanenti:
Polmone, vie toraciche
• ICRP 60: muscolo,
Stomaco
cervello intestino teVescica
nue, reni, cistifellea,
Mammella
milza, timo, utero,
Fegato
surrene, vie aeree
Esofago
extratoraciche
• ICRP 103: Tessuto Tiroide
adiposo, surrene, tes- Pelle
Superficie ossea
suto connettivo vie
aeree extratoraciche, Cervello
cisti-fellea, pareti del Rene
cuo-re, linfonodi, mu Ghiandole salivari
Organi e tessuti rimanenti
scolo, pancreas,
prostata, pareti inteTOTALE COMPLESSIVO
stino tenue, milza,
timo e utero
Fatt. pond.
wT ICRP60
0,20
0,12
0,12
0,12
0,12
0,05
0,05
0,05
0 05
0,05
0,05
0,01
0,01
org.riman.
org.riman.
org.riman.
0.05
1,00
Fatt. pond.
wT NEW
0,08
0,12
0,12
0,12
0,12
0,04
0,12
0,04
0 04
0,04
0,04
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0.12
1,00
Fattori ponderazione, wT ICRP60 e ICRP103
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Rischi nell’uso di
materiale radioattivo
Irradiazione esterna
Contaminazione
esterna: pelle, ecc.
interna, attraverso:
Ingestione
Inalazione
Ferite
Perfusione cutanea
J.Barò, OSSMA, Unv. Barcellona, 10/99
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
contaminazione interna: modelli
Fase non-sistemica: prima del trasferimento al
sangue
Vie di ingresso
Modello del tratto gastro-intestinale
Modello
M d ll del
d l tratto
t tt respiratorio
i t i
Fase sistemica: dal sangue verso gli organi di
elezione
Modelli per le terre alcaline (Sr, Ra, U)
Modelli per Th, Np, Pu, Am, Cm
Modello generale (da ICRP 68)
20
ingestione
inalazione
esalazione
tessuti
subcutanei
Tratto G-I
fluidi
extracellulari
bile
fegato
ferita
organi di
deposizione
rene
feci
sudore
pelle
modello a compartimenti
pelle
linfonodi
polmone
adsorb
urina
Elio
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CONTAMINAZIONE INTERNA
• modello a compartimenti
• dinamica del 1
1°° ordine
1 compartimento
λbiol
2 compartimento
λ…
− Δn = λbiol ⋅ n ⋅ Δt + λrad ⋅ n ⋅ Δt = (λbiol + λrad ) ⋅ n ⋅ Δt
n(t ) = n(t0 ) ⋅ e−(λbiol +λrad )(t −t0 )
Teff =
TradTbiol
Trad + Tbiol
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
modello del tratto
gastrointestinale
MODELLO A
COMPARTIMENTI
da IAEA, 2004
+λ )( t −t )
) −
nn((t)) ==nn(t0()t⋅0e)−⋅λ e(−t−(tλbiol
e λ rad(t −t )0
rad
0
biol
0
21
es., Livtinenko
es.,
es famigliare
E (t ) = ∑T wT ∫
t0 + t
t0
es., fumatore
Adattato da: Fabbretto M, 2001
Dose impegnata, E(t)
H T (τ )dτ
t è il tempo (anni) su cui avviene l'integrazione: 50 anni
per adulti e 70 anni per bambini; t0 =istante introduzione
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ingestione
inalazione
esalazione
pelle
linfonodi
INGESTIONE
tessuti
ferita
f1 subcutanei
=frazione trasferita
dall’intestino tenue
direttamente ai ffluidi
extracellulari
sudore
fluidi
organi di
extracellulari
deposizione
Tratto G-I
pelle
modello a compartimenti
polmone
bile
fegato
rene
feci
adsorb
urina
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
ingestione
inalazione
esalazione
INALAZIONE
tessuti
subcutanei
ferita
Tratto G-I
•clearance polmonare,
T1/2 nell parench.
h polm.
l
•
F,
fast:
<10
giorni
sudore
fluidi
organi di
extracellulari • M, medium
deposizione
• S, slow,
>100 g.
• f1=trasf. al tratto GI
pelle
modello a compartimenti
linfonodi
pelle
polmone
bile
feci
fegato
rene
adsorb
urina
22
d.lgs 230/95 e smi
dose impegnata, Hc o Ec,
per contaminazione interna
t0 +t
Hc,T (t) = ∫ HT (τ )dτ integrale della dose che sarà ricevuta
da un individuo a seguito di introduzione di uno o più radionuclidi nel
Ec (t ) = ∫ E (τ )dτ corpo
p umano
t0
t0 + t
t0
A =attività introdotta nel corpo,
Ec = ∫ Ec (τ )dτ ≈ h( g ) A Bq; h(g) =coeff. conversione di
dose efficace per unità di attività
t0
introdotta, Sv Bq-1
t è il tempo (anni) su cui avviene l'integrazione; di solito:
50 anni per gli adulti e 70 anni per i bambini; t0 =istante
dell’introduzione; vale per l’anno in corso
t0 + t
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dose impegnata, Hc o Ec,
per contaminazione interna
Et =
t0 + t
∫ E (τ )dτ ≈ h( g ) A
t0
A =attività introdotta nel corpo, Bq; h(g) =coeff.
conversione di dose efficace per unità di attività
introdotta, Sv Bq-1
ICRP 103
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
dose impegnata, Hc o Ec,
ICRP 103
The committed dose coefficients as a function of integration period. (a) Committed
equivalent dose coefficients in endosteal tissue, lung, and active (red) bone marrow, and
committed E coefficient as a function of integration time following inhalation intake of
232Th. Points mark the 50 year period; (b) Committed effective dose coefficient for
selected radionuclides normalised to their value at 50 y.
23
Londra 2424-nov
nov--2006 avvelenamento di
Litvinenko Alexander,
Alexander, con 210Po
)
)
)
)
)
Tempo dimezzamento
dimezzamento::
)
fisico,, T1/2: 138,4 g - biologico
fisico
biologico,, ~50 giorni
)
Teff, effettivo,
effettivo, ~37 giorni
Radiazioni emesse
emesse::
) alfa
alfa,, α: 5,305
5 305 MeV
MeV,, 100%
) gamma, γ: 803 keV
keV,, 0,0011%)
Origine /produzione:
produzione:
) naturale
naturale:: 210Bi (β-), fam. 238U
) artificiale
artificiale:: 209Bi(n,γ)210Bi(β-)
eliminazione cariche elettrostatiche – fumo sigaretta
Attività specifica:
specifica: 1,66E14 Bq
Bq/g
/g = 4,49E3 Ci
Ci/g
/g
Elio
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Londra 2424-nov
nov--2006 avvelenamento di
Litvinenko Alexander,
Alexander, con 210Po
)
)
)
)
)
)
organi critici (10%): fegato, reni, milza, corpo intero
escrezione: 90% (feci/urine = 3/1)
Costanti di irraggiamento esterno /interno
) Irraggiamento esterno, Γ =1,422E
=1,422E--18 Sv*m2/Bq/h
) Ingestione,
Ingestione h(g):
) lavoratore: 5,14E5,14E-7 Sv/Bq
) popolazione adulta: 1,2E1,2E-6 Sv/Bq
) minori, 22-7anni: 4,4E4,4E-6 Sv/Bq
Rateo di dose esterna (1g, 1m) = 0,236 mSv/h
Dose (adulto popolaz., ingest., 1g) = 1,99E11 mSv
Dose (adulto popolaz., ingest., 1μ
1μg) = 199.000 mSv
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
dose collettiva e popolazione
∞
ST = ∫ HT
0
∞
SE = ∫ E
0
dN
dHT = ∑ Ni HT ,i
dHT
i
ICRP 60, 1990
dN
dE = ∑ N i Ei
dE
i
dove: ST = equivalente di dose collettiva, Sv; SE = dose
efficace collettiva, Sv; (dN/dHT)dHT = numero di individui
che ricevono un equivalente di dose tra (HT e HT+dHT);
(dN/dE)dE = n.ro individui che ricevono una dose tra (E
e E+dE); Ni = n.ro di individui che ricevono la dose
media HT,i o Ei; unità misura nel SI Sv.persona
24
dose collettiva e popolazione
∞
SE = ∫ E
0
dN
dE = ∑ N i Ei
dE
i
E2
⎛ dN ⎞
S (E1 , E2 , ΔT ) = ∫ E ⎜
⎟ dE
dE ⎠ ΔT
E1 ⎝
ICRP 60, 1990
DUE NOVITA’
ICRP 103, 2007
dove: SE = dose efficace collettiva, Sv; (dN/dE)dE = n.ro
individui che ricevono una dose efficace tra (E e E+dE);
E1 – E2 = intervallo di dose considerato: non da zero
(E1=10uSv?
=10uSv?);
); ∆T = intervallo di tempo: non infinito
Elio
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rischio ≈ E·detrimento
…usare con cautela: MAI sul singolo individuo!!!
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
ipotesi LNT: considerazioni
• solo alle basse dosi (<100 mSv/anno) e bassi ratei
di dose distribuite nel tempo
• elevate incertezze su wR e wT
• usare solo per gli scopi della radioprotezione
(principio di precauzione)
• base prudente per gli aspetti pratici della
radioprotezione e per confrontare diversi livelli di
rischio
• non usare per valutare i “decessi” da incidenti o
nelle indagini mediche
• non valida per bassissime dosi ricevute da un
elevato numero di persone e per un lungo periodo
25
possibili danni delle radiazioni
Conclusion
The estimated risks of health effects
attributable to radiation exposure are:
~100
100%
% for early clinical effects at D>~
D>~1Gy
~ 0.05 %/
%/mSv
mSv for antenatal effects
~ 0.005 %/
%/mSv
mSv for cancer
~ 0.0008 %/
%/mSv
mSv for hereditable effects.
Fonte: A. Gonzales, Sievert lecture, Madrid 2004
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LEVELS OF CONCERN
Level of
concern
individual effective dose per year
High
More than 100 mSv
Raised
More than a few tens millisievert
Low
1 – 10 mSv
Very low
Less than 1 mSv
None
Less than 0,01 mSv
referred to global average annual natural background
effective dose from all sources is 2.4 mSv/y from all sources
(UNSCEAR 2000)
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Activity
(Bq)
conver. factors,
h(g) o Γ
(Sv Bq-1)
…too complicated?
Absorbed wR Equivalent wT Effective
Dose (Sv)
Dose (Gy)
Dose (Sv)
Fl
Fluence
(cm-2)
conversion
factors
(Sv cm2)
Equivalent dose, HT, and Effective dose, E,
can’t be measured directly!!!
26
grandezze oper(azionali)
• le grandezze operative (Hoper) sono definite per
poter effettuare misure perché quelle
protezionistiche (Hprot) non sono misurabili
• La loro definizione tiene conto del fatto che le
misure di radioprotezione hanno differenti
scopi nel caso di monitoraggio:
• personale (interna
(interna--esterna) H prot
≤1
• ambientale: verifica dei
H oper
livelli di dose e/o di
contaminazione negli ambienti di
lavoro o nelle aree proibite all'accesso.
Elio
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operational quantities
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
grandezze oper(azionali)
27
photon dept d
dose
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electron dept dose curve
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
28
percentage of max
ximal dose
Absorption of Radiation
in the Human Body
100
50
30 MeV electrons
15 MeV photons
20
Diagnostic
X-rays ~ 100 kV
10
0
5
10
Therapeutic XX-rays ~200 kV
15
20
25
30
depth in the body, cm
dose assorbita in profondità
Dose assorbita
profondità in tessuto
--- radiazione gamma
--- radiazione X
--- radiazione beta
in caso di irraggiamento esterno
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geometrie di irraggiamento
Fonte: ICRP 74, 1992
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
geometrie di irraggiamento
• ICRU Sphere is a 30
30--cm diameter
tissue--equivalent sphere with a density
tissue
of 1 g/cc and a mass composition of:
76,2% oxigen, 11,1% carbon, 10,1%
hidrogen and 2,6% nitrogen (i.e. lucite).
• Field expanded: fluence and its directional and energy distribution
have the same values throughout the volume of interest as in the
actual field at the point of refetrence;
• Field alligned: fluence and its energy distribution are the same as in the
expanded field, but the fluence is unidirectional;
ICRU Report 51, 1993
29
equivalente di dose
ambientale, H*(d)
H*(d), ambient dose equivalent, at a point in a
radiation field, is the dose equivalent that would
be produced by the corresponding expanded
and alligned field, in the ICRU sphere at a dept,
d on the radius opposing the direction of the
d,
alligned field.
Unit: J kg-1, Sv
ICRU Report 51, 1993
• 0,07 mm :stima a prof.pelle (shallow dose)
• 3 mm :stima a prof. cristallino
• 10 mm :stima organi profondi
Elio
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equivalente di dose
direzionale, H’(d,α
H’(d,α)
H’(d,α), directional dose equivalent, at a point in a
radiation field, is the dose equivalent that would be
produced by the corresponding expanded field, in the
ICRU sphere at a dept, d, on the radius in a specified
direction, α.
When α=0, H’(d,α)=H’(d)=H*(d).
Unit: J kg-1, Sv
• 0,07 mm :stima a prof.pelle (shallow dose)
• 3 mm :stima a profondità cristallino
• 10 mm :stima organi profondi ICRU Report 51, 1993
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
equivalente di dose
personale, Hp(d)
Hp(d)
(d),, personal dose equivalent, is the dose equivalent
in soft tissue, at an appropriate depth, d, below a
specified point on the body.
body. Hp(d) is recommeded
pp p
both for strongly
g y and weakly
y
because is appropriate
penetrating radiations, depending of the value of d.
Unit: J kg-1, Sv
0,07 mm :stima a prof.pelle (shallow dose)
3 mm :stima a profondità cristallino
10 mm :stima organi profondi
ICRU Report 51, 1993
30
Fonte:
ICRP 74,
1992
H prot
H oper
≤1
grandezze radioprotezionistriche
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Coefficenti Convers. H*(10) e E (fotoni)
Fonte:
ICRP 74,
1992
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
dose efficace e kerma in aria (fotoni)
ξ
ξ= ξ (E,proiez)
E,proiez)
E=ξKa
Fonte:
ICRP 74,
1992
31
dose equivalente /kerma in aria (fotoni)
Fonte:
ICRP 74,
1992
E (AP)=ξKa
ξ= ξ (E,proiez)
E,proiez)
Elio
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Fonte: Dorschel B, Schuricht V, Stener J, The phy
ysics of radiation protection, 1996
dose e fluenza di fotoni
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
dose efficace /fattori
conversione relativi
Fonte:
ICRP 74,
1992
32
dose efficace
e equivalente di dose
per i neutroni
E/H*(10) per i neutroni:
• non sempre E/H*(10)<1
• En > 40 MeV: la dose è in profondità
• En < 40 MeV: wR ≠ Q(L)
• A bordo degli aerei (>8.000 m) la relazione non vale
• wR (ICRP77) sono errati dal punto di vista fisico, in
quanto alle alte energie protoni e adroni si comportano
come i neutroni
• dose superficiale non è importante per i neutroni
Fonte:: M.Pelliccioni,
Fonte
M.Pelliccioni, Conv. AIRP, Torino 21
21--ott
ott--2005
Elio
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dose efficace e fluenza di neutroni
Fonte:
ICRP 74,
1992
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Neutron fluence VS dose coeff.
33
wR(neutroni):
ICRP 103
e ICRP 60
Elio
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DT e fluenza di neutroni
Fonte:
ICRP 74
ICRU 57, 1995
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Neutron E /H*(10)
H prot
H oper
≤1
34
Neutron E /H*(10)
H prot
Fonte: M. Pelliccioni, To, 2005
H oper
H prot
H oper
> 1 ⇒ sottostima
≤ 1 ⇒ sovrastima
Elio
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febbraio 2009
Fonte: ICRP 74 – ICRU 57, 19
995
E
vs
fluenza
di
neutroni
per
diversi
orientamenti
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
E vs particle fluence
Fonte: M.Pelliccioni, 2000
35
E (AP) e flue
enza di particelle
Fonte: Pelliccioni M,
Rad.Prot.Dosim, 88 (4) 2000
Elio
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E (AP) e fluenza di particelle
Fonte: Pelliccioni M, Rad.Prot.Dosim, 88 (4) 2000
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
E (AP) e fluenza di particelle
Fonte: Pelliccioni M, Rad.Prot.Dosim, 88 (4) 2000
36
E (PA) e flue
enza di particelle
Fonte: Pelliccioni M,
Rad.Prot.Dosim, 88 (4) 2000
E (ISO) e flue
enza di particelle
Elio
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febbraio 2009
Fonte: Pelliccioni M,
Rad.Prot.Dosim, 88 (4) 2000
H*(10) e flue
enza di particelle
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Fonte: Pelliccioni M,
Rad.Prot.Dosim, 88 (4) 2000
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Esempio: usando i grafici precedenti, calcolare
l’intensità di dose efficace, E (mSv/h), per
irraggiamento PA, in presenza di intensità di
fluenza (1E3 part./s /cm2) di fotoni da 2 MeV, di
neutroni termici e di neutroni da 1 GeV, ciascuno
E ( PA) = ∑ j =1 C ( E , PA) jϕ j t
3
E( PA)γ = C( E)γ ϕγ t = 10−111033600= 36μSv / h
E( PA)n.term = C( E)n.termϕn.termt = 7 ⋅10−111033600= 252μSv / h
E( PA)n(1GeV) = ϕn(1GeV)C( E)n(1GeV) t = 10−91033600= 3600μSv / h
E( PA)TOT = 0,036+ 0,252+ 3,6 ≈ 3,9mSv/ h
Elio
li GIROLETTI - Università
i
i degli
d li Studi
di di
Pavia & INFN Pavia
febbraio 2009
Fonte: Silari M., RPD, (142) 2
2007
H*(10) at high energy accelerators
ESCLUSIVO USO DIDATTICO Pavia grandezze in radioprotezione
Fonte: Silari M., RPD, (142) 2
2007
H*(10) at high energy accelerators
38
caratteristiche delle
grandezze operative di radioprotezione
Grandezza
di riferimento
Controllo
ambientale
Controllo
individuale
Tipo di
radiazione
Dose efficace
(corpo intero)
kerma in aria
Equivalente di
dose ambientale
H*(d)
particolare
t co a e
in pa
H*(10)
Equivalente
di dose
personale
p( 0)
Hp(10)
Fortemente
penetranti
(fotoni,
elettroni,
e
ett o ,
neutroni)
Dose
equivalente
- pelle
- cristallino
kerma in aria
dose in aria
dose in tessuto
Equivalente di
dose direzionale
H’(d,α)
in particolare
H’(0,07,α)
H’(3,α)
Equivalente
di dose
personale
Hp(0,07)
Hp(3)
diversamente
penetranti
(fotoni, beta,
elettroni,
neutroni)
da: Brambilla, Pavia 2001
Elio
li GIROLETTI - Università
i
i degli
d li Studi
di di
Pavia & INFN Pavia
febbraio 2009
www.unipv.it/webgiro
www.unipv.it
/webgiro
elio giroletti
.
.
Università degli Studi di Pavia
INFN sezione di Pavia
[email protected]
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