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
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4 Mev α-track
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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
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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
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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
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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
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Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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ingestione
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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
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