USO DEL FANTOCCIO ANTROPOMORFO PER DOSIMETRIA INTERNA IN ATMOSFERA

APPLICAZIONI

Popolazioni residenti in alta quota Dosimetria sui voli aerei

Dosimetria nei voli spaziali

Obiettivo della tesiEstensione dell’uso del fantoccio antropomorfo Jimmy,

per dosimetria neutronica agli organi, in campi neutronicidi alta energia:

misure sperimentali e confronto con codici di simulazione Monte Carlo

• Misura di spettri neutronici a varie quoteSpettrometro BDS

• Valutazione della dose agli organi in termini di equivalente di dose ambientale neutronica H*(10)

Misure:BD-100R

Simulazionecodici Monte CarloMCNP-4B, MCNPX

Motivazioni

1. Residenti in alta quota (sopra i 4000 m)2. Dosimetria voli commerciali3. Voli militari ad alta quota (Tornado 20000 m)4. Permanenza sulla ISS

ICRP 60

Utilizzo di fantocci specificiper la dosimetria neutronica

Neutroni componente rilevante della dose totale

Necessità di una valutazione accurata della dose assorbita:le sorgenti naturali sono incluse nell’esposizione professionale

Raccomandazioni radio-protezionistiche

Art.42 Consiglio direttivo Euratom (13/05/1996):Devono essere effettuate campagne di misura per gli equipaggi esposti a più di 1mSv/anno.

ICRP 60:

Sorveglianza fisica dell’ambiente di

lavoro

<6Lavoratori esposti di

categoria B

Valutazione sistematica della dose

individuale

<100 in 5 annidi cui al max. 50

in 1 anno

Lavoratori esposti

categoria A

Nessuna<1Popolazione

Valutazioni dosimetriche

Esposizione (mSv/anno)

Soggetti

1-5Piloti e assistenti di volo

3.34Tecnici di radiografia industriale

4.76Addetti centrali nucleari

1.22Personale reparti medicina nucleare

Esposizione annua (mSv/anno)

Occupazione

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Esposizioni in quota

1. Cervinia, Laboratorio Testa Grigiah=3480 m, 45° 56’ 03’’ N, 7° 42’ 28’’ E

2. Voli Alitalia AZ784/11, AZ784/12Roma-Tokyo-Romah=11500m,35° 45’ 9’’ N, 14° 23’ 2’’ E68° 30’ 5’’ N, 7° 33’ 4’’ E

3. Volo ASI BIRBA1,h=38000m,36° N

Codici di simulazione:MCNP4B-GN

(sviluppato dall’INFN di Torino)trasporto di elettroni, fotoni E < 100MeV;neutroni E < 30 MeV

MCNPXtrasporto di elettroni, fotoni e neutroni E < 5 GeV

GEANT 3trasporto delle cascate adronica ed elettromagnetica10 keV<E<10 TeV

Misure sperimentali:

Spettrometro abolle (BDS)

rivelatori integraliBD-100R

•Valutazione degli spettri neutronici a varie quote

•Valutazioni dosimetriche agli organi critici (ICRP 60)

Fantoccio:

Fantoccioantropomorfo

JIMMY

• Tessuto equivalente• Cavità in

corrispondenza degliorgani critici

• Conservativo rispetto ai fantoccistandard

(intercalibrazione rispettoalla sfera ICRU e alfantoccio ad acquapresso il JRC, Ipra)

Strumentazione

MCNPX

Nuovi dati nucleari valutati per neutroni e protoni fino a 150 MeVSezioni d’urto valutate per le interazioni fotonucleari

Proprietà delle subroutine inserite:• Basse energie MCNP4B• Alte energie FLUKA

Modelli fisici per energie fino a 5 GeV1. Interazione particella-nucleo:

modellizzata utilizzando sezioni d’urto particella incidentesingolo nucleone (INC)

2. diseccitazione del nucleo:frammentazione nuclei leggerispallazione e fissione nuclei pesanti (A>17)

TEST MAX-LAB(Lund, Svezia)

Microtrone iniettore e- fino a 100MeV

Anello di accumulazione Emax 550 MeV

•Esposizione del fantoccio ad un campo diretto di fotoni •Esposizione ad un campo misto di fotoni e neutroni

STUDIO PRELIMINARE DI DOSIMETRIA IN QUOTA

• Analisi degli spettri delle varie componenti della cascata cosmica alle varie quote (GEANT3)

• Calcolo delle dosi ambientali relative alle varie particelle utilizzando i fattori di conversione flusso dose ambientale pubblicati :

E<180 MeV fotoni, neutroni, elettroni: ICRP 74

E>180 MeV (tutte le particelle): A. Ferrari, M. Pelliccioni, T. Rancati,“Overview of fluence-to-effective-dose and fluence-to-ambient doseequivalent conversion coefficients for high energy radiationcalculated using the FLUKA code”, Rad.Prot.Dos. 88,4 (2000).

Confronto con i dati pubblicati

0.271.100.300.21Altro (µµµµSv/h)

1.01.0 0.84*0.0140.010Fotoni (µµµµSv/h)

4.02.2 2.8* 0.0240.014Protoni (µµµµSv/h)

2.85.1 4.2*0.310.16Neutroni (µµµµSv/h)

38 km12 km5.2 km3.6 km

* A. Ferrari, M.Pelliccioni, T. Rancati,“ Calculation of the Radiation Environment caused by Galactic Cosmic Raysfor determing Air Crew Exposures”, Rad.Prot.Dos., 93-2 (2001)

Tabella tratta dal rapporto della NASA: “Radiation Safety Aspects of Commercial High-Speed Flight Transportation”, J.Wilson, F.Cucinotta et. al., 1995

PERCENTUALI IN DOSE DELLE COMPONENTI DELLA RADIAZIONE COSMICA A QUOTE DIVERSE

SPETTRI NEUTRONICI A VARIE QUOTE

(A. Zanini, C. Ongaro, C. Manfredotti, L. Tommasino, P. Miranda Losa)

PERCENTUALI DI DOSE NEUTRONICA A QUOTE DIVERSE

Laboratorio Testa Grigia

Cervinia,Laboratorio Testa Grigiah=3480 m, 45° 56’ 03’’ N, 7° 42’ 28’’ E

3480 m

gonadi

vesc

icaes

ofago

colon dx

colon sx

stomac

opolm

one dx

polmone s

xtiro

ideren

e sx

rene d

xco

lonnacen

tro

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

Cervinia, Laboratorio Testa Grigiaconfronto dati sperimentali e simulazioni

equi

vale

nte

di d

ose

ambi

enta

le n

eutro

nica

( µµ µµSv

/h)

MCNP4B BD 100R

media misure 4/4/2002 1/5/2002

VOLI AZ 746/11 AZ 746/12Voli Alitalia AZ784/11, AZ784/11Roma-Tokyo-Romah=11500m,35° 45’ 9’’ N, 14° 23’ 2’’ E68° 30’ 5’’ N, 7° 33’ 4’’ E

11500 m

gona

dive

scica

fegato

colon

dxco

lon sx

stomac

opo

lmon

e dx

polm

one s

xtiro

ide milzaren

e sx

colon

na ba

ssa

rene d

x

colon

na ce

ntro

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8 e

quiv

alen

te d

i dos

e am

bien

tale

neu

troni

ca ( µµ µµ

Sv/h

)

Volo Roma-Tokio-Romah = 11500m confronto tra dati sperimentali e calcolo

MCNP-4B BD 100R

VOLO ASI BIRBA1

Progetto IORD,h=38000m,36° N

38000 m

gona

dives

cica

esofa

goco

lon dx

colon

sxsto

maco

polm

one d

xpo

lmon

e sx

tiroide

cerve

llo

milzaren

e sx

rene d

x

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

MCNP-4B BD 100R

equ

ival

ente

di d

ose

neut

roni

ca ( µµ µµ

Sv/h

)

Birba 1volo Trapani Siviglialuglio 2001h = 38000 m

DOSE EFFICACE :������������������������������������ �� �������� �������� �������� ���������������������������������������������� ����������������������������

TT

T HwE ∑=

0.120.016Midollo

0.050.019Fegato

0.050.03Rimanenti organie tessuti

0.010.012Pelle

0.010.018Superficieossea

0.050.019Vescica

0.050.015Esofago

0.060.017Colon sx

0.060.016Colon dx

0.060.011Polmone sx

0.060.011Polmone dx

0.120.013Stomaco

0.200.018Gonadi

wTHT (µµµµSv/h)

Organo wTHT (µµµµSv/h)

Organo

0.120.79Midollo

0.050.75Fegato

0.051.5Rimanenti organie tessuti

0.010.82Pelle

0.010.79Superficieossea

0.050.85Vescica

0.050.74Esofago

0.060.79Colon sx

0.060.73Colon dx

0.060.87Polmone sx

0.060.62Polmone dx

0.120.71Stomaco

0.200.67Gonadi

wTHT (µµµµSv/h)

Organo

0.120.6Midollo

0.05032Fegato

0.051.8Rimanenti organie tessuti

0.010.5Pelle

0.010.6Superficieossea

0.050.32Vescica

0.050.44Esofago

0.060.45Colon sx

0.060.57Colon dx

0.060.37Polmone sx

0.060.49Polmone dx

0.120.41Stomaco

0.200.64Gonadi

E= 0.027 µµµµSv/h E= 0.7 µµµµSv/h E= 0.49 µµµµSv/h

(100 keV<En<20MeV)

CALCOLO PERCENTUALE DI DOSE AGLI ORGANI

gona

dives

cica

fegato

esofa

goco

lon dx

colon

sxsto

maco

polm

one d

xpo

lmon

e sx

tiroide

cerve

llomilza

rene s

xco

lonna

bass

aren

e dx

colon

nace

ntro

0

10

20

30

40

50

60

70

80

3600 m (Hess 700 gr/cm2):trasporto spettro pubblicatodentro il fantoccio Jimmy

perc

entu

ale

di e

uiva

lent

e di

dos

e am

biel

tale

neu

troni

ca

Intervalli di dose: E<0.1MeV 0.1 - 20MeV 20 - 400MeV 400MeV - 5GeV

gona

dive

scica

fegato

esofa

goco

lon dx

colon

sxsto

maco

polm

one d

xpo

lmon

e sx

tiroide

cerve

llomilza

rene s

xco

lonna

bass

aren

e dx

colon

nace

ntro

0

10

20

30

40

50

60

70

12000 m (Hess 200 gr/cm2:)trasporto spettro pubblicatodentro il fantoccio Jimmy

perc

entu

ale

di e

uiva

lent

e di

dos

e am

biel

tale

neu

troni

ca

Intervalli di dose: E<0.1MeV 0.1 - 20MeV 20 - 400MeV 400MeV - 5GeV

gona

dives

cica

fegato

esofa

goco

lon dx

colon

sxsto

maco

polm

one d

xpo

lmon

e sx

tiroide

cerve

llomilza

rene s

xco

lonna

bass

aren

e dx

colon

nace

ntro

0

10

20

30

40

50

60

70

38000 m (Hess 0 gr/cm2): trasporto spettro pubblicatodentro il fantoccio Jimmy

perc

entu

ale

di e

uiva

lent

e di

dos

e am

biel

tale

neu

troni

ca

Intervalli di dose: E<0.1MeV 0.1 - 20MeV 20 - 400MeV 400MeV - 5GeV

0.751.190.035Totale0.040.080.002400 MeV<En<5 GeV0.140.290.00420 MeV<En<400 MeV

0.490.70.027100 keV<En<20 MeV0.080.120.002En<100 keV

BIRBA 1Volo Roma-Tokyo-

Roma

Testa Grigia

Dosi efficaci (µSv/h)

3600m 11500m 380000m0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

tot. = 0.035 µµµµSv/h

tot. = 0.75 µµµµSv/h

tot. = 1.19 µµµµSv/h

:10

dose

effi

cace

( µµ µµSv

/h)

0< En <100 keV 100 keV< En <20 MeV 20 MeV< En < 400 MeV 400 MeV< En < 5 GeV

2.3 (700 h)0.8 (700 h)Voli commerciali

0.9 (anno)0.3 (anno)Cervinia

Equivalentedi dose

ambientale (mSv)

Dose efficace (mSv)

Valutazione dell’esposizione annua