le grandezze della radioprotezione le grandezze della radioprotezione
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Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 UNIVERSITÀ 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 www.unipv.it/webgiro elio giroletti infn & dip. fisica nucleare e teorica Elio GIROLETTI dip. Fisica Nucleare e teorica Università Università di Pavia le grandezze della radioprotezione Elio GIROLETTI dip. Fisica Nucleare e teorica Università Università di Pavia le grandezze della radioprotezione Introduzione Grandezze di campo Grandezze dosimetriche Grandezze radioprotezionistiche Grandezze operazionali Limiti operativi derivati, LOD Conclusioni e discussione ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 1 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia 4 Mev α-track marzo 2005 dose assorbita in profondità Dose equivalente,HT 0.5 Mev γ-track 2nm 10 nm profondità in tessuto --- radiazione gamma --- radiazione X --- radiazione beta fattori da… da… CARATTERIZZARE quantità fisiche l’ambiente esp. esp. individuale la sorgente • Sono universalmente accettate per la caratterizzazione dei campi di radiazione • Sono definite in un qualsiasi punto del campo e la misura è direttamente ottenuta da un campione primario. ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 2 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 grandezze di campo alcune grandezze radiometriche e operative per le radiazioni ionizzanti • Fluenza, Fluenza, Φ = dN/da, di solito per neutroni, m-2 • Kerma (e rateo), raggi X (gamma e neutroni), Gy • 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 dΦ d 2N = ϕ= dt da ⋅ dt p= • direzionale H’(d, Ω), d=10, 3 o 0,07 mm • Equivalente di dose personale, personale, Hp(d), Sv rateo o intensità intensità di fluenza di particelle unità unità di misura SI = m-2 s-1 dϕ d 3N = dΩ da ⋅ dt ⋅ dΩ ICRU Report 33, 1980 • d= 10, 3 e 0,07 mm grandezze di campo radianza di particelle unità unità di misura SI = m-2 s-1 sr-1 Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola grandezze di campo Energia radiante, R(E) =energia delle particelle (esclusa quella di quiete) emessa, trasferita o ricevuta unità unità di misura SI = J dp d 4N pE = = dΩ 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 unità di superficie perpendicolare alla direzione del loro moto, per unità unità di tempo, per unità unità di angolo solido e per unità unità di energia unità Φ = dt dE pE dΩ unità di misura SI = m-2 s-1 sr-1 J-1 ∫ ∫ ∫ T ICRU Report 33, 1980 fluenza di particelle= particelle= grandezza scalare dove dN numero di particelle che incidono sulla sfera di sezione massima da unità unità di misura SI = m-2 dN Φ= da • Attività Attività (e concentrazione volumetrica o superficiale di radioattività), Bq E Ω Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola RE = Ψ= dR ( E ) dE dR da Distribuzione spettrale energia radiante Fluenza di energia delle particelle =somma delle energie (escluse quiete) delle aprticelle che attraversano la sfera, dove dR =energia radiante incidente su una sfera infinitesima di sezione massima da centrata nel punto unità unità di misura SI = m-2 s-1 ICRU Report 33, 1980 ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola 3 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 grandezze di campo ψ= dΨ d R = dt dt ⋅ da 2 Intensità Intensità o densità densità di fluenza di energia unità unità misura SI = J m-2 s-1 o W m-2 grandezze di campo Ф(E) e Ψ(E) sono, rispettivamente, la fluenza di particelle e la fluenza di energia relative a particelle di energia cinetica ≤E E 0 r= dψ d R = dΩ da ⋅ dt ⋅ dΩ 3 radianza di energia unità unità misura SI = W m-2 sr-1 E 0 0 valor medio energia delle particelle presenti Emax Ψ= ∫∫∫ Ep dtdΩdE E E ,Ω ,t ICRU Report 33, 1980 E Ψ ( E ) = ∫ ΨE dE = ∫ EΦ E dE Φ ( E ) = ∫ Φ E dE EΦ = ∫ EΦEdE 0 Emax ∫ Φ dE E 0 Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola CONDIZIONI DI EQUILIBRIO • equilibrio di radiazione: si ha quando il valore dell’energia radiante che entra in un punto è pari all’energia radiante che ne esce (difficile da realizzare) • equilibrio delle particelle cariche: si ha quando il numero di particelle 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 • radiazioni indirettamente ionizzanti: si raggiunge per energie non superiori a 1 - 2 MeV Emax ∫ EΨ dE E ≠ EΨ = 0 Emax ∫ Ψ dE E 0 Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola 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’ nell’elemento di volume di massa dm sono completamente fermati in aria unità roëntgen, ntgen, R, 1R = 2,58 10-4 C kg-1) unità di misura SI: C.kg-1 (roë • NB: per la sua misura occorre sempre essere almeno in 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 INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 4 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 grandezze radiometriche X =Ψ dQ esposizione X = dm e µass Waria ρ aria In condizioni di equilibrio delle particelle cariche (ciò si realizza solo per fotoni di E<3 MeV) MeV) X =Ψ e µen Waria ρ aria X = hνϕ e Waria µen ρ aria dove: µen/ρ =coefficiente di assorbimento di energia massico dell’ dell’aria; Waria =energia necessaria in media per produrre una carica in aria; Ψ e ϕ =fluenza di energia e di fotoni, rispettivamen. rispettivamen. Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola X = hνϕ esposizione grandezze radiometriche grandezze radiometriche K= dEtr dm Kerma kinetic energy released to matter (molto più più generale rispetto all’ 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 unità unità di misura: gray, gray, 1Gy=1 J kg-1 ICRP Public. 74, 1996 Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola e µass Waria ρ aria kerma K = dEtr dm in condizioni di equilibrio delle particelle cariche K= K aria = µtr µ Ψ = tr Φ Eneutroni ρ ρ X =Ψ e µen Waria ρ aria Waria (µtr / ρ )aria 1 Waria X= X ≈ 114,5 X e (µen / ρ )aria (1 − g ) e dove g è la frazione di energia irraggiata dagli elettroni secondari in aria ICRP Public. 74, 1996 ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola 5 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia dose assorbita, Dm ICRU Report 33, 1980 dose assorbita grandezza scalare dove dε è l’energia media impartita all’ all’elemento di volume di massa dm dε ε 1 ε E − E u + ∑ Q Ei − E u Dosem = Dm = = lim = lim ≈ i ≈ → 0 → 0 m V dm m ρ V m m unità unità misura: gray, Gy 1Gy =1 J/kg =100 rad ≈6 keV/µ keV/µm3 ) ) ) ε trasferita (Ecinetica particelle cariche messe in moto) ε trasferita netta (Ecinetica particelle cariche - Efotoni frenamento ) ε assorbita (Edepositata nel volume) marzo 2005 grandezze radiometriche dose assorbita D = dε dm In condizioni di equilibrio delle particelle cariche ciò si realizza solo per fotoni di E<3 MeV µ Daria = Ψ en ρ aria Daria = Waria X e dove: Da =dose assorbita in aria; µen/ρ =coefficiente di assorbimento di energia massico dell’ dell’aria; Waria =energia necessaria in media per produrre una carica in aria; Ψ =fluenza di energia Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola grandezze radiometriche dose assorbita nel mezzo, m Dm = dε dm BRAGGBRAGG-GRAY cavity e equilibrio elettronico In condizioni di equilibrio delle particelle cariche Dm = (µen / ρ )m (µen / ρ )m W Daria = aria (µen / ρ )aria e (µen / ρ )aria X per fotoni di 0,1 < E <3 MeV (predomina compton) compton) Dm ≈ Waria (Z / A)m X e (Z / A)aria Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola dose/esposizione, dose/esposizione, Gy/R Gy/R • aria: ~ 0,00869 • acqua: ~ 0,00966 • muscolo: ~ 0,00957 • osso: ~ 0,00922 ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 6 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 kerma, dose, esposizione kerma, dose, esposizione La dose in superficie incrementa fino a raggiungere il kerma, kerma, purché purché i fotoni primari non siano attenuati (esiste una regione di equilibrio equilibrio elettronico) La dose in superficie incrementa fino a raggiungere il kerma, kerma, purché purché i fotoni primari non siano attenuati (non esiste una regione di equilibrio equilibrio elettronico) photon dept dose electron dept dose curve ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 7 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 GRANDEZZE E INTERFACCIA grandezze dosimetriche KT (µtr / ρ )T = K a (µen / ρ )a DT (S / ρ )coll ,T = Da (S / ρ )coll ,a X DT Da KT Ka Si misura in un gas per derivare la dose in un mezzo qualsiasi, m dim. camera e pareti << percorso carichi Фγ Фel.secondari el.secondari TEORIA DELLA CAVITÀ Dm = ARIA, a TESSUTO, T profondità Andamento delle principali grandezze radiometriche generate da fotoni fotoni primari di energia ~MeV Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola ICRP 74 & ICRU dose media all’organo, DT il potenziale danno biologico è proporzionale alla dose (media) assorbita dall’ dall’organo T 1 Dose = DT = mT ∫ Ddm 1 Dcavità f µ Dm = en Dgas ρ m / gas dim. camera e pareti >> percorso carichi Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola Linear Energy Transfer not ristrycted, LET, L∞ L∞ = mT J. Barò, OSSMA, Univ. Barcellona, 99 - ICRP 60, 91 dE dl p.0.3.a. dell’Allegato IV del DLgs 230/95 e smi dE is the average energy (per collision) collision) imparted by charged particles crossing the path dl in water unità unità misura: gray, Gy 1Gy =1 J/kg =100 rad ≈6 keV/µ keV/µm3 Ei S Dm = Dgas ρ m / gas mT es.: ovaie: 10 g corpo intero: 70 kg Eu dE L∆ = ( ) ∆ dl Restricted LET, L, in which dE it is the energy imparted locally for collision by charged particle along a path, dl, considering collisions with transfer of energy smaller than ∆, in eV ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 8 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 ADRONI effetti stocastici Fonte: ICRP 1991, 1990 Recommendations of ICRP 4500 MeV CARBON Fondazione CNAO (PSI – Villigen) fonte: R.Orecchia, Napoli, 2003 radiation quality factor radiation quality factor 35 Radiation quality factor considers absorbed energy distribution at microscopic level e and takes into account the differences between radiations; generally (ICRP) radiation quality factor is a function of LET (Pelliccioni, 1993) 30 Fattore di qualità, Q, e LET 25 Q(L) L (keV ·µ m -1 ) 20 L (keV· µ m -1 ) Q(L) 15 < 10 1 10 10-100 0,32· L- 2,2 5 > 100 300/ √ L. < 10 1 10-100 0,32·L- 2,2 > 100 300/√ L. LET non ristretto, keV/um 0 1 10 100 1000 p.0.1.2. dell’Allegato IV del DLgs 230/95 e smi (e ICRP60) p.0.1.2. dell’Allegato IV del DLgs 230/95 e smi (e ICRP60, 1991) ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 9 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005 WEIGHTING FACTORS photons, all energies Electrons and muons, all energies Neutrons with energy, E (it will change): E <10 keV 10 keV < E <100 keV 100 keV < E <2 MeV 2 MeV < E <20 MeV 20 MeV < E protons, E >2 MeV Alpha particles, fission framgments, heavy nucley 1 1 5 10 20 10 5 5 20 ICRP60, Recommendations 1990, 1991 w 1 ∞ wR = Q = ∫ Q ( L) D ( L )dL D 0 where D(L)dL absorbed dose at 10 mm deep in LET interval L e L+dL, in water, water Q(L) is quality factor in that point. [ln( 2⋅E [ MeV ])]2 6 it will change E = ∑wT ∑wR DT ,R 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: = 5 + 17 ⋅ e − Fonte: ICRP 1991, 1990 Recommendations of ICRP radiation weighting factors, factors, wR neutrons R T ogni organo ha una sensibilità propria unità misura: sievert, Sv 1Sv = 1J/kg 1Sv=100 rem (cambieranno) cambieranno) R dose efficace stima rischio (*) Fatt. pond. (casi 10 -2 Sv-1) ($) w T Gonadi 0,92 0,20 Midollo osseo emopoiet. 0,83 0,12 Colon 0,82 0,12 Polmone, vie toraciche 0,64 0,12 Stomaco 0,8 0,12 Vescica 0,24 0,05 Mammella 0,29 0,05 Fegato 0,13 0,05 Esofago 0,19 0,05 Tiroide 0,12 0,05 Pelle 0,03 0,01 Superfice ossea 0,06 0,01 Altri organi e tessuti 0,47 0.05 TOTALE COMPLESSIVO 5,6 1,00 Organo o tessuto (*) Riferito ai lavoratori esposti, Fonte: ICRP60, 1991; ($) DLgs 230/95 smi p.0.1.2. dell’Allegato IV del DLgs 230/95 e smi ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 10 Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia ingestione marzo 2005 inalazione possibili danni delle radiazioni esalazione tessuti subcutanei Conclusion ferita The estimated risks of health effects attributable to radiation exposure are: Tratto G-I fluidi extracellulari bile fegato feci organi di deposizione rene sudore ~100% 100% for early clinical effects at doses>~ doses>~1Sv pelle modello a compartimenti linfonodi pelle polmone ~ 0.05 %/mSv for antenatal effects ~ 0.005 %/mSv for cancer ~ 0.0005 %/mSv for hereditable effects. adsorb urina COEFFICIENTI DI PROBABILITA’ NOMINALE PER GLI EFFETTI STOCASTICI PER UNITA’ DI DOSE EFFICACE, E Soggetti esposti Lavoratori adulti popolazione Detrimento sanitario, 10-2 Sv-1 Neoplasie Ereditari TOTALI severi fatali non fatali 4,0 0,8 0,8 5,6 5,0 1,0 1,3 7,3 Fonte: A. Gonzales, Sievert lecture, Madrid 2004 Activity (Bq) Fluency (cm-2) Conversion Factors (Sv Bq-1) …too complicated? Absorbed wR Equivalent wT Effective Dose (Sv) Dose(Gy) Dose (Sv) Conversion Factors (Sv cm2) probabilità probabilità ≈ E·detrimento …usare con cautela Fonte: ICRP 1991, 1990 Recommendations of ICRP ESCLUSIVO USO DIDATTICO INFN-Pavia - grandezze dosimetriche e radioprotezionistiche 11
