Elementi di Radioprotezione - Fisica...

Elementi di Radioprotezione

Corso base di FormazioneUOC FISICA MEDICA E SANITARIA

SORGENTI DI RADIAZIONI IONIZZANTI

• Sorgenti naturali (raggi cosmici, radionuclidi, ...)• Sorgenti naturali modificate dalla tecnologia (materiali da

costruzione, viaggi in aereo ad alta quota, ...)• Sorgenti di prodotti di consumo (apparecchi televisivi, orologi

luminescenti, ...)• Sorgenti impiegate in medicina (tubi a raggi X, LINAC, radioisotopi

per diagnostica, radiofarmaci, ...)• Sorgenti da ricadute da bombe atomiche (fallout)• Sorgenti associate con la produzione di energia nucleare

(estrazione e trattamento del combustibile, rilasci delle centrali,rifiuti)

ESPOSIZIONE DOVUTA AL FONDO NATURALE DI RADIAZIONE

La più importante fonte di esposizione per gli esseriumani è il fondo di radiazione naturale che fornisce ilcontributo maggiore alla dose collettiva dellapopolazione mondiale.L’esposizione al fondo naturale può variare molto daregione a regione, prevalentemente in dipendenza delladiversa composizione del territorio (suolo o rocce).Mediamente l’equivalente di dose efficace pro-capite èpari a 2.4 mSv/anno

ESPOSIZIONE DOVUTA AD APPLICAZIONIDI TIPO MEDICO

Le applicazioni di tipo medico sono, dopo ilfondo naturale, la maggiore fonte di esposizionedella popolazione specie nei paesiindustrializzati.Ancora nel 1982 l’UNSCEAR (United NationsScientific Committee on the Effect of AtomicRadiation) stimava che, nei paesiindustrializzati, l’esposizione a causa dellepratiche mediche risulta essere circa il 50% diquella dovuta alla radiazione di fondo.Oggi ????

Origine delle radiazioni ionizzanti il decadimento radioattivo

Alcuni atomi hanno nuclei che possiedono energia in eccesso, il loro nucleo è quindi instabile,per raggiungere la stabilità il nucleo emette spontaneamente particelle e/o energia elettromagnetica e si trasforma in un atomo differente (cambiano A e Z)

il decadimento radioattivo .. segue

La stabilità dei nuclei è influenzata da molti fattori tra cui il principale è il numero di neutroni che possiede.Un eccesso di neutroni è causa di instabilità e determina il decadimento,le modalità per raggiungere l’equilibrio tra il numero di protoni e quello di neutroni sono diverse.

il decadimento radioattivo .. segue

Emissione β: una particella simile all’elettrone viene espulsa dal nucleo, con considerevole energia cinetica (contemporaneamente nel nucleo stesso un un neutrone si trasforma in un protone e lo Z dell’atomo cala di 1, rimanendo A invariata),Emissione α: è un processo di emissione più violento: vengono emessi tutti insieme due protoni e due neutroni legati insieme (Z cala di 2 e A di 4 unità)in genere la maggioranza dei nuclei emettitori α e βemette contemporaneamente anche energia (elettromagnetica)

Emivita radioattiva o tempo di dimezzamento

I radioisotopi si disintegrano in atomi stabili di elementi diversi con intensità decrescente

Interazione radiazioni - materia

Le particelle α, β e γ emesse dalla sorgenti radioattive, i raggi Xdelle macchine radiogene e gli elettroni dei LINAC interagisconocon i materiali nei quali si propagano (es. aria, materiali biologici, …)

Le modalita’ di interazione sono molto diverse a seconda che si parlidi particelle cariche: α o elettronioppure di particelle neutre: raggi X, fotoni e neutroni

Lungo il loro percorso cedono frazioni della loro energia agli elettroni del mezzo attraversato

Interazione radiazioni - materia Particelle cariche

Perdono energia per ionizzazione: cedono cioe’ agli elettroni del mezzo energia sufficiente a “staccarli” dall’atomo al qualesono legati dalla forza di Coulomb.Se il mezzo e’ un materiale biologico, queste ionizzazioni creano un danno in quanto spezzano legami molecolari ed alterano quindidal punto di vista chimico i tessuti. I legami chimici sono caratterizzati da energia w = 20÷30 eV.Cosi’ una particella α di energia E = 8 MeV e’ in grado, prima di arrestarsi nel mezzo, di “rompere” un numero di legami pari a:

56

10420108

wEN ⋅=

⋅==

Si tratta di un numero elevato di “distruzioni”…Teniamo pero’ presente che in ogni cm3 di materiale biologico (assimilato all’acqua) vi sono 3.3·1022 molecole

2223AV 1033

181106

MNN ⋅=⋅=

ρ= .

Interazione radiazioni - materia Particelle cariche

Se la particella carica e’ un elettrone, questo ha una massa confrontabile con quella dei bersagli colpiti (elettroni atomici)e subisce quindi ad ogni urto delle brusche deviazioni di traiettoria e quindi brusche accelerazioni e decelerazioni.Associato a queste variazioni di velocita’ vi e’ il meccanismo diperdita di energia per irraggiamento (Bremsstrahlung): l’elettroneperde energia emettendo dei raggi X.

I due tipi di perdita di energia, per ionizzazione (Sion) e per Irraggiamento (Srad) coesistono quindi per gli elettroni

Perdita di energia per

ionizzazione → Sionp, α, ioni pesanti, elettroni e±

irraggiamento → SradElettroni e±


Particelle cariche

p, α

e±Sion+Srad

Sion

Particelle cariche: Range

Si chiama Range (o percorso) lo spessore penetrato da unaparticella all’interno di un materiale prima di arrestarsi

A parita’ di energia particelle cariche pesanti (protoni e α)Sono molto meno penetranti degli elettroni: il loro range e’circa 1000 volte piu’ corto

Depositano quindi la stessa quantita’ di energia in un volume di materia estremamente piu’ piccolo: per questo motivo il dannobiologico associato alle particelle cariche pesanti e’ maggioredi quello associato agli elettroni

p, α

e±



N

spessoreRange

≈ m ariaRange elettroni: ≈ cm plastica

≤ 1 mm Piombo

Sorgentiradioattive

qualche cm ariaRange alfa:

un foglio di carta

non costituiscono problemaper irraggiamento esterno


Naturalmente se lo spessore del materiale attraversato e’ minoreDel range, la particelle deposita solo una frazione di energia nelmezzo.

Einiz

ΔE = Einiz- Efin

Efin

Se quindi si vuole schermare una sorgente radioattiva che emetteParticelle cariche (α o β) e’ necessario adottare una schermaturadi spessore superiore al range delle particelle stesse

Schermature particelle cariche:

α: nessun problema

β: conviene usare materiali leggeri800ZE

SS

ion

rad =

in questo modo si riduce la produzione di fotoni di bremsstr.

piombo, ferro, rame …

plexiglass

Interazione radiazioni - materiaFotoni

A differenza delle particelle cariche i fotoni non interagisconoIn maniera continua con la materia, ma in maniera stocastica:Esiste cioe’ una probabilita’ di interazione con la materia (quellache i fisici chiamano Sezione d’urto)

Le interazioni sono discontinue: tra una interazione e la successivail fotone non cede energia al mezzo

Eγ

E’γE”γ

Il fotone entra nel mezzo con energia Eγ ed esce con energia E”γ


Effetto fotoelettrico

Effetto Compton

produzionedi coppie e+e-

Quindi i fotoni, a seguito della loro interazione con la materia,

qualsiasi sia il meccanismo di interazione (fotoelettrico, Compton o produzione di coppie) mettono in moto degli elettroni.

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

spessore

N( ) x

oeNxN μ−=

λ = 1/μ = libero cammino medio

PiomboCalcestruzzo

Z5 (fotoelettrico)probab. interazione ∝ Z (Compton)

Z2 (prod. coppie)

μ = coefficiente di attenuazione/assorbimento


Conseguenze della interazione delle radiazioni ionizzanti

Fase fisicaFase chimicaFase biologica

Fase fisicaEmissione di energia in forma di radiazioni da parte della sorgenteTrasferimento dell’energia attraverso lo spazio,Assorbimento di energia da parte degli atomi della materia

Fase chimicaScissioni di legami o formazione di nuovi e diversi legami interatomici con conseguenti modificazioni strutturali delle molecole sotto forma di:

rottura della catena principale o di catene collaterali,formazione di ponti intramolecolari,formazione di ponti intermolecolari.

Fase biologica (1)Effetti a livello cellulare:

morte della cellula,perdita della capacità proliferativa (morte riproduttiva)perdita o alterazione di funzioni cellulari specifiche,alterazioni dell’informazione ereditaria:• aberrazioni cromosomiche,• mutazioni geniche

Fase biologica (2)Effetti a livello di popolazioni cellulari:

effetti graduati a carico di sistemi biologici complessi: tessuti e organi:• alterazioni della componente connettivo-vascolare

• precoci (reazione infiammatoria acuta)• croniche (processi fibrosclerotici)

• alterazioni della componente parenchimale:• precoci (reazione infiammatoria acuta)• croniche (lesioni distrofiche a seguito fibrosclerosi

connettivali)

Fase biologica (3)Effetti a livello dell’organismo umano:

per irradiazione acuta del corpo intero• con dosi < 10 Gy morte per sindrome gastrointestinale

o del sistema nervoso,• con dosi tra 4 e 10 Gy grave rischio di morte per

sindrome del sistema ematopoieticoper irradiazione acuta del corpo intero con dosi < 4 Gy o per irradiazione acuta di settori corporei limitati : anemia, sterilità, cataratta, etc)per irradiazione cronica ed a piccole dosi, rischio di:

• effetti graduati per organi più radiosensibili,• effetti statistici (mutazioni geniche, induzione leucemie

o neoplasie…)

CLASSIFICAZIONE DEGLI EFFETTI DELLE RADIAZIONI SULL’UOMO

Il processo di ionizzazione porta adalterazione di atomi o molecole e puòquindi produrre danno alle cellule.

Unità di misura SI delle radiazioni ionizzantigrandezza valore nome simbolo

Dose assorbita

1 J/Kg Gray Gy

Rateo di dose assorbita

1J/Kg*sec Gray/sec Gy/s

Equivalente di dose assorbita

1 J/kg Sievert Sv

Radioattività 1 dis/sec Bequerel Bq

RAGGI X

Produzione

• sorgente di elettroni (effetto Joule ⇒ effetto termoionico)

• sistema per accelerare gli elettroni prodotti(elevata d.d.p)

• materiale (ad alto Z) con cui far interagire gli elettroni veloci

Frenamento degli elettroni che interagiscono con i nuclei + collisioni con gli elettroni atomici

⇒ Raggi X

IRRAGGIAMENTO ESTERNOMEZZI E PROCEDURE DI PROTEZIONE

M E Z Z I (HARDWARE)

DISTANZASCHERMATURE (ADATTE AL TIPO DI RADIAZIONE)D.P.I.

PROCEDURE (SOFTWARE)

IDENTIFICAZIONESEGNALETICAPROCEDURE DI LAVORO

CONFRONTO TRA VALORI APPROSSIMATIVI DELLO SPESSORE DI DIMEZZAMENTO (SEV) PER I FOTONI DI CO-60 E RAGGI X PER

DIAGNOSTICA

Tiporadiazione

SEVmm Pb

SEVcm cemento

X 100 kV 0,26 2,1

Co-60 12 6,1

SOSTANZE RADIOATTIVEUTILIZZAZIONE

IN FORMA SIGILLATA

IN FORMA NON SIGILLATA

NEI LABORATORI DI DIAGNOSTICA IN VITRO SI UTILIZZANO SORGENTI NON

SIGILLATE

QUESTE DETERMINANO PER GLI OPERATORI DUE DIFFERENTI TIPI

DI RISCHIO:

- DA IRRAGGIAMENTO ESTERNO - DA IRRAGGIAMENTO INTERNO

RADIAZIONE GAMMA

ionizzazione indiretta attraverso leparti- celle cariche secondarieentità della ionizzazione dipendentedalla Costante Gamma Specificadella sorgentelegge dell’inverso del quadratodella distanzaattenuazione con andamentoesponenziale dipendente dalladensità del mezzo e dalla energiadella radiazione

..... qualche esempio:

lo spessore di acqua necessario a ridurre di un fattore 10 l’intensità di un fascio di gamma da 100 keV è pari a circa 13 cmlo spessore di Piombo necessario a dimezzare l’intensità di esposizione di una sorgente di I-125 (X da 35 keV) è pari a meno di 0.04 mm

RADIAZIONE BETA

la ionizzazione è direttail percorso massimo (range) in unmezzo è funzione dell’energia dellaradiazione e della densità del mezzoattraversatoad alte energie, in mezzi ad altadensità fenomeno di bremsstrahlung(funzione di EZ2)

....qualche esempio:lo spessore protettivo della cute(0.07 mm) non può essereattraversato da particelle β dienergia inferiore a 70 keVl’intensità di dose a 30 cm da unasorgente puntiforme di 32P da 37MBq (1 mCi) è pari a circa 3mGy(300 mRad)la Bremmstrahlung di 37 MBq (1mCi) di 32P in soluzione acquosacontenuta in un recipiente di vetro èdi circa 0.01 μGy (1 μRad) ad 1 metro

range in aria ed in acqua di alcuni β−emittenti di uso comune

aria acquaH-3 0.6 cm 0.0052 mmC-14 30 cm 0.29 mmS-35 30 cm 0.32 mmCa-45 60 cm 0.60 mmP-32 600 cm 8 mm

IRRAGGIAMENTO INTERNO

CONSEGUENTE A INTRODUZIONE DI RADIONUCLIDI PER:

INGESTIONEINALAZIONEASSORBIMENTO PERCUTANEO


la entità dell’irraggiamento interno dipende da:

tipo ed energia della emissioneradioattivatempo di dimezzamento fisico ebiologicodestino metabolico e selettività delcompostocontaminazione accidentale o cronica


il livello di “radiotossicità” deiradionuclidi dipende dalle lorocaratteristiche fisico-chimiche .le classi di radiotossicità sono 4la “pericolosità complessiva” di unradionuclide dipende anche dalcomposto chimico in cui è presente.

SUDDIVISIONE DEI PRINCIPALI RADIONUCLIDI NEI GRUPPI DI RADIOTOSSICITA’ (D.Lgs 230/’95)

Gruppo 2 (Radiotossicità elevata)60Co; 90 Sr; 125I; 131I; 194Hg

Gruppo 3 (Radiotossicità moderata)14C; 32P; 57Co; 198Au; 111In

Gruppo 4 (Radiotossicità debole)3H; 35S; 51Cr; 99mTc; 201Tl; 133mXe

polmoni linfonodi

fegato reni

tiroide

ossa

..….......

ferita

cute

apparato

gastro intest.

polmoni e

liquidi intercell.

ingestione inalazione esalazione

feci urine

NORME DA SEGUIRE IN CASO DI CONTAMINAZIONE PERSONALE

In caso di contaminazione personale:

1. Avvisare immediatamente il Responsabile del Laboratorio

2. Evitare di venire a contatto con altre persone

3. Avvisare l’esperto qualificato

Per la decontaminazione procedere cosi':

Contaminazione localizzata senza ferite:-lavare per 2 minuti con sapone e spazzola morbida, sciacquare e ripetere altre 2 volte il trattamento,-effettuare un controllo con monitor G.M.), se la contaminazione persiste-lavare per 2 minuti con Citrosil, sciacquare, ripetere il trattamento,-effettuare un controllo, se la contaminazione persiste-ungere con pasta Fissan, fasciare, consultare il Medico Competente

Contaminazione diffusa senza ferite:-liberarsi di tutti gli indumenti contaminati (da chiudere in doppio sacco di plastica),-effettuare un controllo con monitor G.M. ,se non si evidenziano contaminazioni del corpo, indossare indumenti puliti, altrimenti-lavare ripetutamente ed abbondantemente le parti contaminate,-effettuare un successivo controllo e se la contaminazione persiste avvisare il Medico Competente

Contaminazione complicata da ferite e/o ustioni:-far sanguinare abbondantemente le ferite, lavare ripetutamente con sola acqua , medicare, chiamare immediatamente il Medicoautorizzato,,-lavare ripetutamente con soluzione tampone o acqua le parti ustionate, chiamare il Medico Competente

Contaminazione complicata da lesioni gravi:-lesioni gravi come fratture, ustioni diffuse, lesioni emorragiche rappresentano elemento di urgenza maggiore rispetto allacontaminazione, seguire pertanto le procedure di Pronto Soccorso, informando della contaminazione il Medico soccorritore e avvertendoil Medico Competente

Ingestione di materiale radioattivo- informare urgentemente Esperto qualificato e Medico Competente

Gli strumenti di rivelazione delle radiazioni

Dosimetri ambientali

Dosimetri personali

Rivelatori a gasCamera a ionizzazione, contatore geiger

emulsioni fotografiche

Dosimetri a termoluminescenza

I rivelatori a termoluminescenza (TL) sono formati da cristalli inorganici, che possiedono la capacità di intrappolare elettroni.

La radiazione che incide sul cristallo, cede energia agli elettroni in stato non eccitato (banda di valenza), permettendone il passaggio nella banda di conduzione, e creando così coppie elettrone-lacuna Le trappole (introdotte nel materiale da impurità) catturano alcuni elettroni liberi di muoversi nella banda di conduzione, trattenendoli nella banda proibita. Solo in seguito a riscaldamento del dispositivo sarà possibile liberare questi elettroni intrappolati. Le energie di tali livelli sono differenti, e il salto energetico creatosi tra la trappola e l'energia di banda di conduzione, è detto profondità della trappola. Con l'aumento della temperatura, gli elettroni intrappolati a profondità minore, cominciano a liberarsi, portandosi in banda di conduzione, per poi ritornare nella banda di valenza, a riempire le lacune. Il salto energetico degli elettroni dalla banda di conduzione a quello di valenza, è accompagnato da emissione di luce, che misurata con un fotomoltiplicatore, può essere messa in relazione alla dose assorbita

Materiale termoluminescente composto da Fluoruro di Litio (Li naturale) LiF:Mg,Ti la cui caratteristica principale è quella di essere tessuto equivalente.Disponibile in differenti forme e dimensioni.

Specifiche tecniche: - Sensibilità al 60Co relativa al LiF: 1- Risposta in energia 30 KeV/60Co: 1.25- Range di utilizzo: 10mGy-10Gy- Fading: 5%/anno a 20 °C corretto.

Lettore TLD automatico per la lettura di cards dosimetriche mediante riscaldamento a flusso di Azoto caldo. Trova applicazione per la dosimetria personale ed ambientale su ampia scala.

Dispositivi di protezione e monitoraggio individuali

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