interazioni ed effetti delle radiazioni ionizzanti (cenni)Effett... · Elio GIROLETTI - INFN Pavia...

Elio GIROLETTI - INFN Pavia & Università degli Studi di Pavia marzo 2005

ESCLUSIVO USO DIDATTICO UniPv - Elementi Radioprotezione: interazione ed effetti (cenni) 1

elio giroletti

UNIVERSITUNIVERSITÀÀ degli STUDI di PAVIAdegli STUDI di PAVIAdip. Fisica nucleare e teoricadip. Fisica nucleare e teorica

e INFN sezione di Pavia e INFN sezione di Pavia via bassi 6, 27100 pavia, via bassi 6, 27100 pavia, italyitaly -- tel. 038298.7905tel. 038298.7905

[email protected] [email protected] -- www.unipv.it/www.unipv.it/webgirowebgiro interazioni ed effetti delleradiazioni ionizzanti (cenni)

Elio GIROLETTIElio GIROLETTIdip. Fisica nucleare e teoricadip. Fisica nucleare e teorica

UniversitUniversitàà degli Studi di Paviadegli Studi di Pavia

IntroduzioneIntroduzioneEffetti biologici delle radiazioni Effetti biologici delle radiazioni Interazione delle radiazioni ionizzanti con la materiaInterazione delle radiazioni ionizzanti con la materiaConclusioni e discussione Conclusioni e discussione

radioprotezione, un poradioprotezione, un po’’ di storia...di storia...

• 1895:• scoperta dei raggi X (Roentgen)• radioattività (Henri Bequerel)

• alte sorgenti di radiazione (come raggi X): • incidenti • più tardi effetti latenti

• 1896: dermatite – congiuntivite • 1897: un ricercatore riporta 69 casi

di danni a radioesposti, con Bequerel e Mme Curie

• 1911: sono riportati 94 casi di tumori radioindotti (50 radiologi)

• 1922: 100 radiologi deceduti per tumori radioindotti, avevano leucemia > colleghi medici

• 1925: minatori in miniere di cobalto (Sassonia) e pecblenda(Cecoslovacchia): alta incidenza tumori

radioprotezione, un poradioprotezione, un po’’ di storia...di storia...



• 1928: soggetti a cui è stato somministrato biossido di torio, come elemento di contrasto

• 1945: donne che dipingevano i numeri fosforescenti sugli orologi ed appuntivano il pennello in bocca (radio, US radium corpration in Orange, New Jersey), 50 casi di morte

• 1955: 200 casi di leucemia in superstiti di bombe atomiche

radioprotezione, un poradioprotezione, un po’’ di storia...di storia...radiazione:radiazione: trasporto di energia nello spazio, possibile senza trasporto di energia nello spazio, possibile senza

movimento di corpi e senza supporto di mezzo materiale movimento di corpi e senza supporto di mezzo materiale

radiazioni radiazioni direttamente direttamente ionizzanti ionizzanti

particelle cariche: protoni, ioni, particelle cariche: protoni, ioni, alfa: alfa: αα, , beta: beta: ββ++ -- ββ--

interagiscono con atomi e molecole tramite forze di natura interagiscono con atomi e molecole tramite forze di natura elettrica intense e rapidamente variabili nel tempoelettrica intense e rapidamente variabili nel tempo

radiazioni radiazioni indirettamenteindirettamente ionizzantiionizzanti

elettromagnetiche: elettromagnetiche: X X -- γγ; neutroni ; neutroni

ionizzano in modo indiretto ionizzano in modo indiretto

le radiazioni ionizzantile radiazioni ionizzanti

PARTICELLE CARICHE PARTICELLE CARICHE LEGGERE LEGGERE pipiùù importanti importanti beta (elettroni e positroni): beta (elettroni e positroni): ββ++ -- ββ--

massa: 1/1836 massa atomo massa: 1/1836 massa atomo 11H, H, Carica elementare: 1,6ECarica elementare: 1,6E--19 C 19 C

PARTICELLE CARICHE PARTICELLE CARICHE PESANTIPESANTIalfa: alfa: ααprotoni, deutoni, nuclei ionzzati, ioni, ecc. protoni, deutoni, nuclei ionzzati, ioni, ecc.

PARTICELLE NEUTRE PARTICELLE NEUTRE neutrone, massa pari a quella del protone neutrone, massa pari a quella del protone

RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE elettromagnetiche: elettromagnetiche: X X -- γγSi propagano alla velocitSi propagano alla velocitàà della luce , E= hv della luce , E= hv

le radiazioni ionizzantile radiazioni ionizzanti radiazione radiazione alfa, alfa, αα2 neutroni e 2 protoni (nucleo di 4He++) carica: +2 - direttamente ionizzante

massa: 4,00278 uma - m0c2: 3727,3 MeV penetra qualche cm in aria emessa da nuclei pesanti, A>145 a volte accompagnata da emissione gammaradiazione monoenergetica (4-9 MeV) tempo dimezzamento padre: 10-7 sec a 1010 anni

...42

42 ++→ ++−

− HeYX AZ

AZ

...: 23492

23894 ++→ αUPuesempio



radiazione radiazione betabeta--, , ee--, , ββ--

elettrone: carica -1 - direttamente ionizzante massa 0,000549 uma - m0c2: 0,511 MeV penetra da qualche µm a decine di cm emessa da nuclei con eccesso neutroni accompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzam. padre: estremamente vario

...1 +++→ −+ νeYX A

ZAZ

...: 21483

21482 +++→ − νβBiPbesempio

decadimento decadimento beta, beta, ββ-- (e gamma)(e gamma)

Jhons & Cunnigam, Physics of radiology, 1987

radiazione radiazione beta+, beta+, ee++, , ββ++

positrone: carica +1, direttamente ionizzante massa 0,000549 uma - mc2: 0,511 MeV – annichila penetra in aria: da qualche µm a qualche cm emessa da nuclei con difetto di neutroni accompagnata da neutrino radiazione polienergetica (spettro continuo) tempo dimezzamento padre: estremamente vario

...1 +++→ +− νeYX A

ZAZ

...: 188

189 +++→ + νβOFesempio

decadimento decadimento beta +beta +

Jhon

s& C

unni

gam

, Phy

sics

of ra

diol

ogy,

198

7



radiazione radiazione beta, beta, ββ-- -- ββ++

Dorschel B, et al., The physics of radiation protection, 1996

radiazione radiazione gamma, gamma, γγ--XXfotone, quanto: carica 0 - E =hE =hνν ==mcmc22

indirettamente ionizzante penetra: qualche cm - decine (o centinaia) di m emessa da nuclei in stato eccitato può accompagnare altri decadimenti radiazione monoenergetica, molte righe tempo dimezzam. padre: estremamente vario

...* ++→ γXX AZ

AZ

γνβ 2: 6028

6027 +++→ −NiCoesempio

radiazione radiazione neutrone, nneutrone, n

neutrone: carica 0 - indirettamente ionizzantemassa 1,00867 uma - m0c2: 939,6 MeV maggiormente penetrante,

SEV, 3-10 MeV, da 3 a 14 cm di acqua interazione nei tessuti biologici:

10 keV e 10 MeV: perdono energia per diffusione elastica

<0,5 eV: cattura con emissione gamma e altre particelle

...1* ++→ − nXX AZ

AZ

Interazione Interazione radiazione/radiazione/materiamateria

Ionizzazioni

eccitazioni atomiche molecolari

ionizzano seionizzano seE >12 E >12 eVeVλλ <100 <100 nmnm

((d.lgsd.lgs 230/95) 230/95)



radiazioni radiazioni nonnon ionizzantiionizzantiRnIRnI

le radiazioni emesse da:le radiazioni emesse da:•• risonanza magnetica nucleare risonanza magnetica nucleare •• telefoni cellulari telefoni cellulari •• antenne (radiotelevisive, cellulari, ecc.) antenne (radiotelevisive, cellulari, ecc.) •• elettrodotti e linee elettriche elettrodotti e linee elettriche •• ecografiecografi (ultrasuoni)

nonnon hanno energia sufficienteenergia sufficiente per ionizzare e sono denominateradiazioni nonnon ionizzantiionizzanti

EFFE

TTI

delle

RA

DIA

ZIO

NI

ION

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RAD

IAZI

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I IO

NIZ

ZAN

TI

Fonte: A. Gonzales, Sievert lecture, Madrid 2004

EFFE

TTI

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ZIO

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NTI

RAD

IAZI

ON

I IO

NIZ

ZAN

TI

Font

e: N

CR

P 13

3, 2

002

Diffusione

Irradiazione

Eventi di interazione primaria

Danni al DNA e altre molecole

Rotture del DNA

Danno a livello cellulare

Aberrazionicromosomiche

Danno a livello di organi e organismo

10-15 s

minuti

ore

Chi

mic

aB

ioch

imic

aFi

sica

Fisi

ca e

ch

imic

aB

iolo

ogia

10-6 s

10-12 s

≈ 100.000 ionizzazioni≈ 2.000 ion. nel DNA

1 Gy γ-rays in un nucleo

≈ 0,5-1 eventi letali≈ 10-5 HPRT mutazioni≈ 10-5 trasf.neoplastiche<< 10-5 tumori

≈ 0,5-1 aberr.crom.

≈1.000 ssb≈ 40 dsb≈ 0,5 -1 cl

?

anni

≈ 2 nm

≈ 5-10 µm

Ottolenghi et al, Phys Medvol. XVII–supl.2-2001

Med

icin

a

Molecole biologiche

Dissociazione: produzionedi radicali liberi dell’acqua

Eccitazioni e ionizzazioni

Acqua



mec

can

ism

i di r

ipar

azio

ne

mec

can

ism

i di r

ipar

azio

ne

effe

tti d

ell

effe

tti d

ell ’’ e

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izio

ne

espo

sizi

one

Riparazione chimica

Riparazione enzimatica

Sostituzionecellulare

Assorbimento di energia

ESPOSIZIONE

Effetto indiretto (radicali H2O)Effetto diretto

IONIZZAZIONE – ECCITAZIONE ATOMICA

MOLECOLE TRASITORIAMENTE ALTERATE – Radicali liberi

Amplificazione metabolica

MOLECOLE STABILMENTE ALTERATE

LESIONI BIOCHIMICHE

LESIONI CELLULARI

Mutazione trasformazione

Mortecellulare

Effetti tardivi Leucemiao cancro

Morte dell’organismoMalattie ereditarieDa

Fant

ini,

Mel

egna

no, 2

000

10-15 s

10-12 s

10-6 s

min

giorni

anni

giorni effettieffetti delledelleradiazioniradiazioni

3) Cellulasopravvivema mutata

effeff. . stocasticistocastici((cancrocancro?)?)((dopodopo annianni))

1) mutazioneriparata

non non sopravvivesopravvive((effeff. deterministici). deterministici)

sopravvivesopravvive

2) Cellulamuore

Fonte: A. Gonzales, Sievert lecture, Madrid 2004

EFFETTI DETERMINISTICIDETERMINISTICIGravità direttamente proporzionale alla dose Presenti su tutti gli esposti alla medesima dose Lesioni tipiche delle radiazioni ionizzanti Esiste una dose sogliaEffetti presenti solo su gli espostiPossibile reversibilitàInsorgenza di solito precocePrevisione empirica nel singolo individuoEffetti: radiodermiteradiodermite, cataratta, sterilit, cataratta, sterilitàà, sindrome , sindrome acuta da raggi, fino alla morte del soggetto, ecc. acuta da raggi, fino alla morte del soggetto, ecc. ef

fett

i det

erm

inis

tici

effe

tti d

eter

min

isti

ci

Dose soglia per alcuni effetti non stocastici e limiti di dose per i lavoratori

Soglia di dose

Equivalente di Dose

Totale [Sv]

Dose annuale

[Sv/a]

Limiti annuali di

dose - da DLgs

230/95 [Sv/a] (#)

Tessuto ed effetto

Singola

eposiz.

Espos. Fraz.

o protratta

Espos. Fort.

Frazionata

Al

tessuto

Al corpo

intero (°)

Testicoli

• sterilità temporanea

• sterilità permanente

0,15

3,5

NA(§)

NA

0,4

2

0,08

0,08

0,02

0,02

• Ovaie sterilità 2,5 – 6 6 >0,2 0,08 0,02

Cristallino

• opacità osservabili

• deficit visivo, cataratta

0,5 – 2

5

5

>8

>0,1

>0,15

0,15

0,15

0,02

0,02

Midollo osseo, depressione

dell’omopoiesi

0,5 NA >0,4 0,17 0,02

Aplasia mortale 1,5 NA >1 0,02 0,02

Fonte: E. Righi, AIRM, 1990 - Nota: (§) NA= Non applicabile, in quanto la soglia dipende dall’intensità di dose più che dalla dose accumulata; (°) dose media annuale su 5 anni; (#) derivati dal limite di equivalente di dose efficace, E



EFFETTI PROBABILISTICIPROBABILISTICIGravità indipendente dalla dose, legge si/no Effetti presenti solo su alcuni esposti alle RI indipendentemente dalla dose assorbitaLesioni non tipiche delle RIIpotesi assenza cautelativacautelativa di una dose sogliaInsorgono dopo anni Effetti presenti spontaneamente anche in soggetti non esposti (circa il 25%) Effetti: neoplasie, aberrazioni cromosomiche, neoplasie, aberrazioni cromosomiche, mutazioni genetiche (somatiche o prole) mutazioni genetiche (somatiche o prole)

effetti e radiazioni ionizzantiuccisione della cellula uccisione della cellula sopravvivenza cellulare sopravvivenza cellulare mutazioni geniche mutazioni geniche modificazioni nella espressione dei geni modificazioni nella espressione dei geni risposta doserisposta dose--effetto non lineare effetto non lineare

la teoria cancerogenica in termini di comunicazione la teoria cancerogenica in termini di comunicazione intercellulare si basa su tre fasi temporali: intercellulare si basa su tre fasi temporali:

iniziazione:iniziazione: alterazione stabile nel gene alterazione stabile nel gene ne controlla la diffrenzziazione finale ne controlla la diffrenzziazione finale

promozione:promozione: formazione di un formazione di un ““focusfocus””derivato monoclonale di cellule iniziali derivato monoclonale di cellule iniziali

progressione:progressione: crescita autonoma del tumore crescita autonoma del tumore fonte: Ballarini F. et al., Mutat. Res., 501 (2002)

comunicazione cellulare e r.i.effetto bystander effetto bystander

apoptosiapoptosi e mutazioni geniche e mutazioni geniche induzione di danno in cellule non irraggiate induzione di danno in cellule non irraggiate osservato anche a molto basse dosi (sotto mGy) osservato anche a molto basse dosi (sotto mGy) non aumenta significatibvamente con la dose non aumenta significatibvamente con la dose dipende fortemente da alcuni fattori: dipende fortemente da alcuni fattori:

modo con cui il danno modo con cui il danno èè trasmesso trasmesso tipo di cellula e stadio del ciclo cellulare tipo di cellula e stadio del ciclo cellulare numero di cellule irraggiate numero di cellule irraggiate costituenti del mezzo intracellulare costituenti del mezzo intracellulare endpoint specifico (tipo di danno) endpoint specifico (tipo di danno)

→→ risposta non lineare con la dose risposta non lineare con la dose font

e: B

alla

riniF

. eta

l., M

utat

. Res

., 50

1 (2

002)

comunicazione cellulare e r.i.risposta adattativa, ARrisposta adattativa, AR

ormesi: effetto stimolatorio prodotto da ormesi: effetto stimolatorio prodotto da un basso livello di agenti tossici un basso livello di agenti tossici

incrementata radioresistenza a successive dosi piincrementata radioresistenza a successive dosi piùùelevate: risposta sottolineare alle basse dosi elevate: risposta sottolineare alle basse dosi

osservato a 50osservato a 50--200 mGy 200 mGy –– scompare a >0,5 Gyscompare a >0,5 Gypuò essere espresso sui differenti endpoints: può essere espresso sui differenti endpoints: aberr. cromosomiche, mutaz. geni, e sopravv. cell. aberr. cromosomiche, mutaz. geni, e sopravv. cell. bassa dose di radiazione può favoreire la capacitbassa dose di radiazione può favoreire la capacitàà

di riparazione del DNA, attivitdi riparazione del DNA, attivitàà antiossidante antiossidante e apoptosi cellulare e apoptosi cellulare

dipende da vari fattori come effetto bystander dipende da vari fattori come effetto bystander →→ AR AR può diminuire il rischio? può diminuire il rischio? fo

nte:

Bal

larin

iF. e

tal.,

Mut

at. R

es.,

501

(200

2)



10 810 610 410 210-1

10-0

10 1

10 2

Dose (mSv)Dose (mSv)

personepersone

regioneregione di di rilevabilitrilevabilitààregioneregione di di

non non rilevabilitrilevabilitàà

1 mSv1 mSv10 9 p.

Residenti di ChernobylChernobylin in areearee sotto sotto strettostretto controllocontrollo~300,000 ~300,000 personepersone a a ~10 mSv~10 mSv

Font

e: A

. Gon

zale

s, S

ieve

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ctur

e, M

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200

4

2218

DpnNd

≈

RILEVABILITARILEVABILITA’’ DEI TUMORI SOLIDIDEI TUMORI SOLIDI

Fattori determinanti l'effetto

entitentitàà della dosedella dosemodalitmodalitàà assorbimento assorbimento tempi di somministrazionetempi di somministrazioneentitentitàà superficie esposta superficie esposta organi tessuti espostiorgani tessuti espostietetààsuscettibilitsuscettibilitàà individualeindividualegravidanza/fertilitgravidanza/fertilitàà/allattamento/allattamentonumero di espostinumero di espostisinergia con altri fattorisinergia con altri fattori

danni da radiazionidanni da radiazionie progressione temporalee progressione temporale ((BurkartBurkart, 1989), 1989)

acutiacuti

teratogeniteratogeni

geneticigenetici

somatici ritardatisomatici ritardati(tumori)(tumori)

1mese

5mesi

1anno

10anni

30anni

unità arbitrarie

leucemieleucemie

i possibili dannii possibili danni

danni deterministici:danni deterministici: frequenza e gravità va-riano con la dose; è individuabile una soglia; comprendono: radiodermiteradiodermite, cataratta, , cataratta, sterilitsterilitàà, sindrome acuta da raggi, ecc. , sindrome acuta da raggi, ecc.

danni stocastici:danni stocastici: la probabilità e non la gravità di accadimento è proporzionale alla dose; sembra non esistere soglia; distribuiti casualmente; esitonoesitono naturalmente tra la popolazione (>20%);appaiono dopo annidopo anni;; comprendono: leucemie, leucemie, tumori solidi e malattie ereditarie nella progenietumori solidi e malattie ereditarie nella progenie



possibili danni delle radiazionipossibili danni delle radiazioni

ConclusionConclusion

The estimated risks of health effects The estimated risks of health effects

attributable to radiation exposure are:attributable to radiation exposure are:

~~100100% for early clinical effects at doses>% for early clinical effects at doses>~~1Sv 1Sv

~ ~ 0.050.05 %/mSv for antenatal effects%/mSv for antenatal effects

~~ 0.0050.005 %/mSv for cancer%/mSv for cancer

~~ 0.00050.0005 %/mSv for hereditable effects.%/mSv for hereditable effects.Fonte: A. Gonzales, Sievert lecture, Madrid 2004 Fo

nte:

ICRP

199

1, 1

990

Reco

mm

enda

tions

of IC

RP

InterazioneInterazionePARTICELLE CARICHE: PARTICELLE CARICHE: •• InterazioneInterazione continua con campo continua con campo

elettricoelettrico variabilevariabile nelnel tempo tempo •• pesantipesanti: percorsopercorso pressochpressochèè rettilineorettilineo•• leggereleggere:: percorsopercorso tortuosotortuoso ((elettronielettroni) ) RADIAZIONI NEUTRERADIAZIONI NEUTRE•• neutronineutroni: : diffusionediffusione //assorbimentoassorbimentoRADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE •• InterazioneInterazione solo solo nelnel puntopunto

di di assorbimentoassorbimento•• PercorsoPercorso rettilineorettilineo finofino

al al puntopunto interazioneinterazione

NUMERO ATOMICO EFFICACE, ZNUMERO ATOMICO EFFICACE, Zeffeff

dove: dove: ZZii e e NNii =numero atomico e denist=numero atomico e denistàà atomica dellatomica dell’’ii--simo elemento che compone la miscela simo elemento che compone la miscela

????

ALCUNE DEFINIZIONI GENERALI ALCUNE DEFINIZIONI GENERALI

Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Piro

∑∑=

i ii

i iieff ZN

ZNZ

2



FATTORI CHE INFLUENZANO LFATTORI CHE INFLUENZANO L’’INTERAZIONEINTERAZIONEEnergia della particella incidente Energia della particella incidente Distanza della collisione Distanza della collisione

MATERIA SI RIASSESTA MATERIA SI RIASSESTA LL’’atomo emette: fotoni ed elettroni Auger atomo emette: fotoni ed elettroni Auger Molecole: i fenomeni riassestamento sono piMolecole: i fenomeni riassestamento sono piùù complessi complessi Si possono produrre: protoni, deutoni, ioni, ecc. Si possono produrre: protoni, deutoni, ioni, ecc.

A SEGUITO DELLA IONIZZANZIONE A SEGUITO DELLA IONIZZANZIONE Si formano coppie di ioniSi formano coppie di ioniSono mesi in moto elettroni secondari (ionizzazione Sono mesi in moto elettroni secondari (ionizzazione secondaria), denominati raggi secondaria), denominati raggi δδ (se le tracce sono lunghe) (se le tracce sono lunghe)

SOGLIA DI IONIZZAZIONE SOGLIA DI IONIZZAZIONE Esiste una soglia minima di ionizzazzione, W (non Esiste una soglia minima di ionizzazzione, W (non èè costante)costante)

INTERAZIONE PARTICELLE CARICHE INTERAZIONE PARTICELLE CARICHE

Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Piro

PARTICELLE CARICHE PESANTIPARTICELLE CARICHE PESANTI

Perdono energia nella materia quasi esclusivamente per Perdono energia nella materia quasi esclusivamente per collisioni anelastiche (eccitazioni e ionizzazioni)collisioni anelastiche (eccitazioni e ionizzazioni)

POTERE FRENANTE, POTERE FRENANTE, S S --StoppingStopping powerpower--::cessione di energia per unitcessione di energia per unitàà di percorso, di percorso, keVkeV//µµmm

Le Le perdite medie di energia per coll. si possono descrivere con: perdite medie di energia per coll. si possono descrivere con:

Fonte: Pelliccioni M, Fondamenti fisici della radioprotezione, ed. Pirola

2

244mv

ZNBzedxdEScoll

π=−=

dove: dove: SScollcoll =potere frenante per collisione, eV/=potere frenante per collisione, eV/µµm; m; ddE E =energia persa dalla =energia persa dalla particella incidente lungo traccia dparticella incidente lungo traccia dll; ; zz e e vv =numero atomico e velocit=numero atomico e velocitàà della della particella; particella; NN ==ρρNNAA/A =/A =densitdensitàà atomica del mezzo (atomi/cmatomica del mezzo (atomi/cm33), di densit), di densitàà ρρ(g/cm(g/cm33); ); AA e e ZZ numero di massa e atomico; numero di massa e atomico; NNAA =numero di Avogradro; =numero di Avogradro; B B èèfunzione logaritmica dipendente da funzione logaritmica dipendente da vv della particella e di della particella e di ZZ

NB:NB: dipendenza dal quadrato della velocitdipendenza dal quadrato della velocitàà →→ picco di Braggpicco di Bragg

PARTICELLE CARICHE PESANTIPARTICELLE CARICHE PESANTIPERCORSO NELLA MATERIAPERCORSO NELLA MATERIA

particelle cariche pesanti di eguale energia percorrono circa laparticelle cariche pesanti di eguale energia percorrono circa lastessa distanza prima di essere completamente assorbite stessa distanza prima di essere completamente assorbite

èè possibile parlare di percorso medio, R (range) possibile parlare di percorso medio, R (range)

es., percorso in aria delle radiazioni alfa, Res., percorso in aria delle radiazioni alfa, Raa (in cm) in funzione (in cm) in funzione delldell’’energia E (MeV) energia E (MeV) èè: :

RRaa = 0,56 E = 0,56 E (per E <4 MeV) (per E <4 MeV) RRaa = 0,318 E= 0,318 E3/23/2 (4< E < 7 MeV) (4< E < 7 MeV)

percorso della alfa in un mezzo (m) qualsiasi di massa A, percorso della alfa in un mezzo (m) qualsiasi di massa A, partendo da quello in aria partendo da quello in aria èè RRmm(E)=0,56 R(E)=0,56 Raa(E) A(E) A1/31/3

Percorso in aria dei protoni di energia da qualche MeV a 200 Percorso in aria dei protoni di energia da qualche MeV a 200 MeV, RMeV, Rpp (in m) (in m) èè: : RRpp = (E/9,3)= (E/9,3)1,81,8

Fonte: AAVV, Elementi di fisica sanitaria, ed. CNEN, 1971

radiazioni alfaalfa• alta densità di ionizzazione• elevato LET • poco penetranti

• 10 cm in aria • 1 foglio di carta

⇒ pericolose per introduzione ⇒ non per irradiazione esterna

sostituire periodicamente le sorgenti perché le alfa danneggiano la sottile protezione di plastica



gli elettronigli elettroni

Le perdite di energia si devono sia a collisioni anelastiche (ionizzazione, eccitazione), che all'irraggiamento e alle collisioni elastiche

Le perdite per irraggiamento sono predominanti per energie E>>mc 2

Il percorso delleparticelle è tortuosoe vengono generati elettroni secondari, a loro volta capaci di produrre ionizzazione (raggi δ)

da: Brambilla, Pavia 2001

PARTICELLE CARICHE LEGGEREPARTICELLE CARICHE LEGGERE

Elettroni perdono energia nella materia per collisioni (eccitaziElettroni perdono energia nella materia per collisioni (eccitazioni oni e ionizzazioni) e per irraggiamento (emissione di fotoni) e ionizzazioni) e per irraggiamento (emissione di fotoni)

Collisioni anelastiche: importanti quando lCollisioni anelastiche: importanti quando l’’energia energia èè modesta modesta

Perdita per irraggiamento: importante giPerdita per irraggiamento: importante giàà a energie modeste (a a energie modeste (a partire da pochi MeV): partire da pochi MeV): effetto bremsstrhalungeffetto bremsstrhalungPossibili anche: polarizzazione, effetto Cherenkov, ecc. Possibili anche: polarizzazione, effetto Cherenkov, ecc.

Elettroni: si può parlare di percorso estrapolato, RElettroni: si può parlare di percorso estrapolato, Restest (g/cmq): (g/cmq):

RRestest ~~0,542 E 0,542 E --0,1330,133 0,8< E <3 MeV0,8< E <3 MeV

RRestest ~~0,407 E0,407 E1,381,38 0,15< E <0,8 MeV0,15< E <0,8 MeV

lunghezza di radiazione:lunghezza di radiazione: distanza percorsa in media da un distanza percorsa in media da un elettrone prima che la sua energia si riduca a 1/e a causa elettrone prima che la sua energia si riduca a 1/e a causa delldell’’irraggiamento di quantiirraggiamento di quanti


Font

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2 183log1374 vZ

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dxdE A

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− 800

EZ

dxdEdxdE

SS

coll

rad

coll

rad ≈

=

LINEAR ENERGY TRANSFER, LETLINEAR ENERGY TRANSFER, LET

a seguito delle collisioni delle particelle cariche con atomi o a seguito delle collisioni delle particelle cariche con atomi o molecole del mezzo, vengono messi in moto elettroni secondari molecole del mezzo, vengono messi in moto elettroni secondari e raggi e raggi δδ che si comportano come particelle primarie che si comportano come particelle primarie

La loro distribuzione La loro distribuzione èè fondamentalefondamentale

Per conoscere la deposizione di energia nella regione intorno Per conoscere la deposizione di energia nella regione intorno alla traccia, di fa ricorso al alla traccia, di fa ricorso al LETLET ((trasferimento lineare di energiatrasferimento lineare di energiao o potere frenante per collisione lineare ristrettopotere frenante per collisione lineare ristretto), L), L∆∆, (, (keVkeV//µµm): m):

dove dove dEdE ==energiaenergia ceduta localmente per collisioniceduta localmente per collisioni da una particella carica lungo da una particella carica lungo una traccia una traccia dldl, avendo considerato nel computo solo le cessioni di energia , avendo considerato nel computo solo le cessioni di energia inferiori a inferiori a ∆∆ (di solito 100 (di solito 100 eVeV, cessioni locali) , cessioni locali)


∆∆

=

dxdEL



LINEAR ENERGY TRANSFER, LETLINEAR ENERGY TRANSFER, LET

LL∞∞ = = SScollcoll

di solito di solito LL100100 corrisponde al 60% di Lcorrisponde al 60% di L∞∞ ⇒⇒ i raggi i raggi δδsono responsabili del trasporto del 40% dellsono responsabili del trasporto del 40% dell’’energia energia

BASSO LETBASSO LET < 50< 50--50 50 keVkeV//µµmm < < ALTO LETALTO LET

LET varia lungo la traccia della particella LET varia lungo la traccia della particella

LET LET èè una quantituna quantitàà fondamentale in radioprotezione fondamentale in radioprotezione per definire la qualitper definire la qualitàà della radiazione e quindi le della radiazione e quindi le grandezze radioprotezionistiche grandezze radioprotezionistiche


∆∆

=

dxdEL

radiazioni betabeta

• modesta capacità di penetrazione • elettroni da ≈1 MeV:

• 4 m in aria• 4 mm in acqua

• per schermarle:per schermarle: anteporre uno strato di materiale leggero per ridurre X di bremsstrhalung

•• con positroni:con positroni: attenzione a X di annichilazione 0,511 MeV

interazione neutroni e materia interazione neutroni e materia

Reazioni nucleari Reazioni nucleari energeticamenteenergeticamente possibili: possibili: Diffusione Diffusione elastica elastica (n,n) (n,n) Diffusione Diffusione inelasticainelastica (n,n), (n,n(n,n), (n,nγγ), (n,2n): ), (n,2n):

avviene con neutroni energetici avviene con neutroni energetici Cattura Cattura radiativa radiativa (n,(n,γγ): pi): piùù probabile nella probabile nella

regione delle risonanze e delle energie termiche regione delle risonanze e delle energie termiche EmissioneEmissione di particelle cariche (n,p), etc. di particelle cariche (n,p), etc. Fissione Fissione (n,f)(n,f)SpallazioneSpallazione (n,sciame) (n,sciame)

Le reazioni nucleari dipendono da: Le reazioni nucleari dipendono da: Energia neutroni e nucleo bersaglio Energia neutroni e nucleo bersaglio

interazione neutroni e materia interazione neutroni e materia

4 regioni di energia per i neutroni: 4 regioni di energia per i neutroni: Basse energie Basse energie 0 < E <1000 0 < E <1000 eVeV(neutroni termici, E(neutroni termici, Emaxmax= 0,025 = 0,025 eVeV) ) E. intermedie (risonanze) 1 keV < E <500 keV E. intermedie (risonanze) 1 keV < E <500 keV Alte energie Alte energie 0,5 MeV <E< 10 0,5 MeV <E< 10 MeVMeVEnergie molto elevate Energie molto elevate E> 10 E> 10 MeVMeV

3 gruppi per i nuclei bersaglio: 3 gruppi per i nuclei bersaglio: Nuclei leggeri Nuclei leggeri 1 < A < 25 1 < A < 25 Nuclei intermedi Nuclei intermedi 25 < A < 80 25 < A < 80 Nuclei pesanti Nuclei pesanti 80 < A < 250 80 < A < 250



11H(n,H(n,γγ))22HH reactionreactionNeutroni termici sono catturati da atomi di Neutroni termici sono catturati da atomi di idrogeno ordinario, abbondante nel corpo idrogeno ordinario, abbondante nel corpo umano (60% di Humano (60% di H22O nel corpo) O nel corpo) Viene emesso un Viene emesso un γγ di di 2,22 MeV (2,22 MeV (corpo che corpo che assorbe neutroni termici assorbe neutroni termici èè esposto ai raggi esposto ai raggi gamma da 2,22 gamma da 2,22 MeVMeV) ) σσ decresce alldecresce all’’aumentare dellaumentare dell’’energia del energia del neutrone (legge neutrone (legge ““1/v1/v””) ) Con la reazione Con la reazione 1414N(n,N(n,p)p)1414C da il maggior C da il maggior contributo alla dose tessuto da neutroni termicicontributo alla dose tessuto da neutroni termiciDeposito di energia lontano dal sito urto Deposito di energia lontano dal sito urto

1414N(n,N(n,p)p)1414CC reactionreaction

Cattura per neutroni termici Cattura per neutroni termici σσ =1,70 barns=1,70 barnsRilascia 0,626 Rilascia 0,626 MeVMeV ad ogni cattura ad ogni cattura Deposito di energia nelle immediate vicinanze Deposito di energia nelle immediate vicinanze del sito di cattura del sito di cattura Questo processo e la reazione Questo processo e la reazione 11H(n,H(n,γγ))22H H danno il maggior contributo alla dose tessuto danno il maggior contributo alla dose tessuto da neutroni termici da neutroni termici

1010B(n,B(n,αα))77LiLi reactionreaction

PPer neutroni termici er neutroni termici σσ =3.840 barns =3.840 barns Energia rilasciata varia da 2,31 a 2,79 MeV Energia rilasciata varia da 2,31 a 2,79 MeV (dipende dallo stato di eccitazione in cui (dipende dallo stato di eccitazione in cui rimane il nucleo di litio) rimane il nucleo di litio) Emissione di Emissione di γγ da da ~0,5 ~0,5 MeVMeVBFBF33 èè utilizzato come contatore utilizzato come contatore

proporzionale: i neutroni sono proporzionale: i neutroni sono termalizzatitermalizzati nel moderatori e nel moderatori e successivamente catturati dal boro successivamente catturati dal boro

BNTC: BNTC: boronboron neutronneutron capturecapture therapytherapy per la per la cura dei tumori solidi cura dei tumori solidi

113113Cd(n,Cd(n,γγ))114114CdCd reactionreaction

σσ per neutroni termici vale 21.000 per neutroni termici vale 21.000 barnsbarns fino fino a circa 0,2 a circa 0,2 eVeV, e diminuisce , e diminuisce bruscmantebruscmante alla alla cosidettocosidetto ““cadmio cutcadmio cut--offoff”” di di ~0,4 ~0,4 eVeVCadmio Cadmio èè utilizzato come: utilizzato come:

Schermo per neutroni Schermo per neutroni Barre di controllo dei reattori Barre di controllo dei reattori Misuratore di flusso di neutroni (per il Misuratore di flusso di neutroni (per il ““cutcut--offoff”” energetico) energetico)



aspetti di radioprotezioneaspetti di radioprotezionedei neutroni con il corpo umano dei neutroni con il corpo umano

neutroni veloci:neutroni veloci: la cessione di energia la cessione di energia avviene nella prima collisione degli atomi di avviene nella prima collisione degli atomi di idrogeno in un fantoccio di acquaidrogeno in un fantoccio di acquaneutroni termici:neutroni termici: assorbiti da assorbiti da 11H e da H e da 1414C, con C, con emissione di gamma e protoni, rispettivamente emissione di gamma e protoni, rispettivamente campo misto: campo misto: presenza di radiazione gammapresenza di radiazione gammadose assorbita dose assorbita dipende da: energia, dipende da: energia, geometria del campo, orientamento del corpo geometria del campo, orientamento del corpo entro il campo entro il campo

Photoelectric effectPhotoelectric effect

The photon is absorbed and an orbital electron is The photon is absorbed and an orbital electron is ejected, and can produce Auger electron; it is important ejected, and can produce Auger electron; it is important at low energies (<0,5 at low energies (<0,5 MeVMeV); mass absorption coefficient ); mass absorption coefficient is proportional to Zis proportional to Z55/E/E(7/2) (7/2) (where Z is the atomic number (where Z is the atomic number and E is the photon energy); and E is the photon energy); ItIt’’s responsible for the contrast of medical radiographs s responsible for the contrast of medical radiographs since Z=13.8 for bone and Z=7.35 for soft tissue.since Z=13.8 for bone and Z=7.35 for soft tissue.

ElectronIncoming radiation27

5

E

Z∝

ρµτ

Compton EffectCompton Effect

Compton effect (inelastic scattering):Compton effect (inelastic scattering): an electron is an electron is ejected and the energy of the photon is reduced in ejected and the energy of the photon is reduced in proportion; emission proceeds preferentially in a forward proportion; emission proceeds preferentially in a forward direction; the Compton effect is important at intermediate direction; the Compton effect is important at intermediate and high energies, and its mass absorption coefficient is and high energies, and its mass absorption coefficient is essentially independent of atomic number. essentially independent of atomic number.

)cos1(96,11'

θ−+≈

EE

Incoming radiationwith energy, E

Electron

Photon withreduced energy, E’

Pair FormationPair Formation

Photons of Photons of at least 1.022 at least 1.022 MeVMeV energy can produce a energy can produce a pair of an electron and a positron in the electropair of an electron and a positron in the electro--magnetic magnetic field of an atomic nucleus; excess energy from the field of an atomic nucleus; excess energy from the photon is passed to the particles as kinetic energy; the photon is passed to the particles as kinetic energy; the positron is rapidly annihilated emitting two photons of positron is rapidly annihilated emitting two photons of ≥≥0.511 0.511 MeVMeV in opposite directions. in opposite directions.

electron

positronAnnihilation

photonsIncoming radiation



Elastic Coherent ScatteringElastic Coherent Scattering

Elastic scattering:Elastic scattering: the direction of the photon is changed the direction of the photon is changed but no energy is absorbed in matter; the effect is most but no energy is absorbed in matter; the effect is most important at low energies. important at low energies.

Photon unaltered energyIncoming radiation

photons: relative contribution photons: relative contribution of different interactionsof different interactions

in water, H2O: dot linein lead, Pb: continue line

Photoelectric effectPhotoelectric effectCompton scatterCompton scatterPair formationPair formation

0.01 0.03 0.1 0.3 1 3 100

20

40

60

80

100

photon energy (MeV)

rela

tive

cont

ribut

ion

to a

bsor

ptio

n (%

)

H2O Pb

ASSORBIMENTO RAGGI X e γ

CATTIVA CATTIVA (BROAD)(BROAD)

GEOMETRIAGEOMETRIA

BUONA BUONA (NARROW)(NARROW)

GEOMETRIAGEOMETRIAASSORBIMENTO RAGGI X e γ (monocromatici)

Io I(x)

x

collimatore

assorbitore

rivelatore

Xraggi

I = Io e – µ xµ = coefficiente lineare di

attenuazione totale[µ] = [L]–1

IxI

⋅=∆∆

− µ

xII

∆⋅=∆

− µ



ASSORBIMENTO RAGGI X e γ(monocromatici)

I = Io e – µ x

diffusioneeffetto fotoelettricoeffetto Comptonproduzione di coppie

µτµσµπ

µ = µτ + µσ + µπ

λ = 0.5 Å ≈ 25 keV

I = Io e–2 ≈ Io7

esempio

30 m O2 (1 atm) oppure0.12 mm Cu

oppure32 µm Pb

differenzadifferenzanellnell’’assorbimentoassorbimento

permettepermettele le radiografieradiografie

interazione gamma e Xinterazione gamma e X

Jhon

s& C

unni

gam

, Phy

sics

of ra

diol

ogy,

198

7

attenuazione attenuazione radiazioni elettromagneticheradiazioni elettromagnetiche

dove: B(u,x) = fattore di build up, dipende dal materiale e dall’energia radiazione SEV = spessore emivalente, dipende dal materiale e dall’energia radiazione I(xo) = Intensità iniziale del fascio I(x) = Intensità del fascio dopo aver attraversato lo spessore x

medcamlibSEV ..1)2ln(

==µ

xo

xSEV

ox

o exIexIexBxIxI ⋅−⋅−⋅− ⋅=⋅≈⋅⋅= µµµ )()(),()()(ln(2)

noISEVnI

2)( ≈⋅

)( 0),()(),( xxo exBxIxEI −⋅−⋅⋅= µµ



ADRONI E ALTRE RADIAZIONIADRONI E ALTRE RADIAZIONI

4500 MeV CARBON

(PSI – Villigen)

Fondazione

CNAO fontefonte: : R.OrecchiaR.Orecchia, , NapoliNapoli, 2003, 2003

Fondazione

CNAO fontefonte: : R.OrecchiaR.Orecchia, , NapoliNapoli, 2003, 2003

www.unipv.itwww.unipv.it//safetysafety

elio girolettielio girolettiUniversità degli Studi di Pavia

ee…… CHIEDI!!!CHIEDI!!!

interazioni ed effetti delle radiazioni ionizzanti (cenni)Effett... · Elio GIROLETTI - INFN Pavia...

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