Podstawowe wiadomości o promieniowaniu jonizującym i zasadach ochrony radiologicznej podpisanie listy na tym wykładzie, kartkówka na I zajęciach (obowiązuje materiał z instrukcji), Instrukcja i inne szczegóły na stronie www laboratorium labfiz1p.if.pw.edu.pl Promieniowanie jonizujące Promieniowanie jonizujące Strumień cząstek lub wiązka fal elektromagnetycznych wywołujące jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki. Dla organizmów żywych te jony mogą być szkodliwe, gdyż prowadzi to do zakłócenia przemian biochemicznych warunkujących prawidłowe funkcjonowanie organizmu i do zmian strukturalnych komórek. Promieniowanie jonizujące powoduje radiolizę wody, czyli jej rozkład na jony pod wpływem promieniowania. W wyniku tego procesu powstają wolne rodniki, które mogą reagować ze związkami wchodzącymi w skład komórki, powodując zakłócenia w jej funkcjonowaniu. Rodzaje promieniowania jonizującego yródłem promieniowania jonizującego mogą być przemiany promieniotwórcze (rozpad jąder atomowych lub reakcje jądrowe) AA-44 X Y + He promieniowanie ą ZZ -22 Cząstki ą są jądrami helu, jest to zatem promieniowanie korpuskularne, Poruszają się z dużymi prędkościami (ok. 107 m/s), niosą dużą energię (kilka MeV), są naładowane dodatnio i dlatego łatwo oddziałują z materią, Ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym, Silne oddziaływanie z materią sprawia, że promieniowanie ą jest mało przenikliwe - w powietrzu jego zasięg wynosi zaledwie kilka centymetrów. Promieniowanie promieniowanie promieniowanie to strumienie elektronów (-) lub pozytonów (+). Jest to promieniowanie korpuskularne, Elektrony powstają np. w wyniku przemiany neutronu w proton: 11 AA n p + e- + X Y + e- 01 e ZZ +1 pozytony (antyelektrony) powstają np. w wyniku przemiany protonu w neutron: 11 p n + e+ +e AA 10 X Y + e+ ZZ -1 cząstki posiadają duże prędkości (ok.. 3x107 m/s), ze względu na mniejszą masę mają mniejszą energię kinetyczną i trochę słabiej od promieniowania ą oddziałują z materią. Ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym. Promieniowanie jest bardziej przenikliwe niż ą(zasięg w powietrzu wynosi kilka metrów). Promieniowanie ł promieniowanie ł Promieniowanie ł jest falą elektromagnetyczną. W większości przypadków promieniowanie ł towarzyszy promieniowaniu ą lub . Po emisji cząstek ą lub jądra zostają w stanie wzbudzonym i nadwyżka energii wypromieniowywana jest z jądra w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie ł nie posiada ładunku, nie jest więc odchylane przez pole elektryczne lub magnetyczne. Słabiej niż ąlub oddziałuje z materią i dlatego jego zasięg jest duży. Podstawowe pojęcia dotyczące preparatów promieniotwórczych Aktywność preparatu: liczba rozpadów promieniotwórczych w danym preparacie na sekundę. jednostki: 1 kiur 1 Ci= 3,71010 rozp/s 1 bequerel 1 Bq = 1 rozp/s Prawo rozpadu: A(t)=A0e-t stała rozpadu: czas połowicznego rozpadu T=ln2/ Podstawowe pojęcia dotyczące preparatów promieniotwórczych Dawka ekspozycyjna D Dawka pochłonięta Dp Równoważnik dawki H Dawka ekspozycyjna D Dawka ekspozycyjna D jest miarą jonizacji, jaka zachodzi w powietrzu pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (rentgenowskiego lub ł). Jeżeli pod wpływem promieniowania X lub ł w elemencie objętości powietrza o masie dm powstał ładunek dQ jonów jednego znaku, to dawką ekspozycyjną X nazywamy stosunek: D = dQ/dm gdzie dQ jest bezwzględną wartością sumy ładunków jonów jednego znaku wytworzonych w warunkach równowagi elektronowej, tzn. gdy wszystkie jony dodatnie i elektrony wytworzone w elemencie objętości o masie dm w nim pozostają. Jednostki: 1 C/kg 1 rentgen 1 R = 2,5810-4 C/kg Dawka pochłonięta Dp Dawka pochłonięta Dp jest miarą pochłaniania promieniowania przez różne materiały. Jest ona zdefiniowana jako energia, jaką traci promieniowanie (a pochłania ośrodek, przez który promieniowanie przechodzi), przypadająca na jednostkę masy tego ośrodka. Dp = dE/dm gdzie: dE - jest średnią energią promieniowania jonizującego przekazaną materii o masie dm. Jednostki: grej (Gy) 1 Gy = 1 J/kg rad (rd) 1 rd = 0,01 Gy (dawniej używana) Równoważnik dawki H Równoważnik dawki jest to dawka pochłonięta w danej tkance lub narządzie z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania. Równoważnik dawki można obliczyć ze wzoru: H = Q Dp gdzie: Q współczynnik jakości promieniowania, Dp dawka pochłonięta w tkance lub narządzie. Jednostka: sievert (1 Sv = 1 J/kg) Promieniowanie Wartość Q X, ł i o energii powyżej 1 30 keV trytu 2 neutrony 25 neutrony termiczne 4,5 ą 25 Współczynnik jakości promieniowania współczynniki wagowe Szkodliwe następstwa promieniowania Tkanka Współczynnik wT zależą także od tego, czy Gonady 0,20 napromienieniu poddane zostało całe ciało, czy konkretne narządy. Szpik kostny 0,12 Przy napromienieniu całego ciała lub Jelito grube 0,12 kilku narządów posługujemy się pojęciem efektywnego równoważnika Płuca 0,12 dawki. Żołądek 0,12 HE = Ł wT H Pęcherz 0,05 gdzie: wT współczynnik wagowy tkanki, moczowy H średni równoważnik dawki w tkance lub narządzie. Gruczoły 0,05 Sumowanie przeprowadza się po sutkowe rodzajach pochłoniętego promieniowania i po rodzajach napromienionych tkanek. Wątroba 0,05 Współczynniki wagowe tkanki wT podane Przełyk 0,05 są w tabeli obok. Tarczyca 0,05 Skóra 0,01 Całe ciało 1,00 Czynniki minimalizujące dawkę pochłoniętą duża odległość (dawka jest odwrotnie proporcjonalna do r2), stosowanie manipulatorów do obsługi preparatu krótki czas (dawka jest proporcjonalna do t) wyjęcie preparatów z pojemników tylko na czas pomiaru stosowanie osłon osłabiających promieniowanie dla promieniowania osłony z substancji zawierających lekkie pierwiastki (np. Al) dla promieniowania ł osłony z pierwiastków ciężkich (np. ołów) Dawki dopuszczalne - zasady Ze względu na możliwość kontaktu z promieniowaniem wyróżnia się trzy kategorie osób: A osoby bezpośrednio narażone na promieniowanie ze względu na wykonywany zawód (kontakt ze zródłami promieniowania) B osoby pracujące w sąsiedztwie zródeł promieniowania C osoby przebywające w sąsiedztwie zakładów (budynków) stosujących zródła promieniowania. W doniesieniu do tych grup ustalone są największe dopuszczalne dawki promieniowania jonizującego. Dopuszczalne dawki - wartości Kategoria Dopuszczalna dawka Wartości dawek także (w mSv) w instrukcji A 120 B 15 C 5 Postępowanie w nagłych przypadkach natychmiastowe powiadomienie obsługi Laboratorium, podporządkowanie się odpowiednim procedurom opisanym w instrukcji w Laboratorium inne szczegóły w Laboratorium Podstawy opracowania wyników Więcej na ten temat w instrukcji na stronie www Pomiar fizyczny: wynik i błąd Bezpośrednim celem ćwiczeń jest : samodzielne wykonanie pomiarów pewnych wielkości fizycznych, opracowanie wyników tych pomiarów, włączając rachunek błędów, przedyskutowanie wyników oraz sporządzenie raportu. Celem pośrednim jest zaznajomienie z wybranymi zagadnieniami fizyki oraz z metodologią eksperymentu fizycznego. Pomiar fizyczny: wynik i błąd Każdy pomiar wielkości fizycznej jest obarczony pewną niedokładnością (błędem pomiarowym) Celem pomiaru powinno być dążenie do minimalizacji tego błędu dzięki m.in.: starannemu wykonaniu pomiaru, użyciu przyrządów odpowiedniej klasy, wykonaniu serii pomiarów zamiast jednego, itp.... Pomiar fizyczny: wynik i błąd Wyróżnia się trzy główne klasy błędów pomiarowych: błędy grube (czyli oczywiste pomyłki), błędy przypadkowe (statystyczny rozrzut wyników wielu pomiarów tej samej wielkości) błędy systematyczne (czyli związane np. z niedokładnością aparatury) Postępowanie z błędami pomiarowymi Wyniki obarczone błędem grubym usuwamy i nie uwzględniamy w analizie wyników W przypadku błędów przypadkowych (czyli rozrzutu wyników) podczas pomiarów bezpośrednich pewnej wielkości miarą statystyczną błędu pojedynczego pomiaru jest odchylenie standardowe czyli pierwiastek kwadratowy z wariancji danego zbioru wyników. Błędy przypadkowe (statystyczny rozrzut wyników pomiaru) błędy przypadkowe podlegają rozkładowi normalnemu opisywanemu funkcją Gaussa miarą błędu pojedynczego pomiaru podczas pomiarów bezpośrednich pewnej wielkości jest odchylenie standardowe est est xsr wartość średnia z N pomiarów odchylenie standardowe pojedynczego pomiaru odchylenie standardowe wartości średniej Błędy wielkości zależnych pośrednio od wielkości mierzonych Metoda różniczki zupełnej Wielkość y zależy od Wartość oczekiwana wielkości x,z zgodnie ze wielkości y wynosi wzorem wówczas: y = f x, z ( ) y = f x0, z0 ( ) Pojedyncze bezpośrednie pomiary wielkości x i z Błąd wartości równa dają wartości się x0, z0 Oszacowane błędy tych "f "f wartości wynoszą "y = "x + "z "x "z x0 ,z0 x0 ,z0 "x, "z Opracowanie wyników pomiarów w przypadku zależności liniowej metoda regresji liniowej Dotyczy to sytuacji, gdy zależność funkcyjna między dwiema mierzonymi wielkościami x i y jest liniowa tzn. y(x)=ax+b, gdzie a i b pewne stałe. W przypadku, gdy mamy szereg punktów pomiarowych (xi,yi), gdzie i=1,...N, parametry a i b można wyznaczyć metodą regresji liniowej (inaczej zwaną metodą najmniejszej sumy kwadratów). Metoda ta pozwala na obliczenie także błędów tych parametrów, czyli odpowiednio "a i "b. Przykład. Liniowa zależność pV od 1/V dla gazu Punkty pomiarowe oraz prosta dopasowania y=ax+b Tutaj: x 1/V y pV Mierzone są pary wielkości pV i 1/V. a = -49 ą 10 b = 334 ą 4 Opracowanie wyników pomiarów w przypadku zależności liniowej metoda regresji liniowej Dotyczy to sytuacji, gdy zależność funkcyjna między dwiema mierzonymi wielkościami x i y jest liniowa tzn. y(x)=ax+b, gdzie a i b pewne stałe. W przypadku, gdy mamy szereg punktów pomiarowych (xi,yi), gdzie i=1,...N, parametry a i b można wyznaczyć metodą regresji liniowej (inaczej zwaną metodą najmniejszej sumy kwadratów). Metoda ta pozwala na obliczenie także błędów tych parametrów, czyli odpowiednio "a i "b. Przykład. Liniowa zależność pV od 1/V dla gazu Punkty pomiarowe oraz prosta dopasowania y=ax+b Tutaj: x 1/V y pV Mierzone są pary wielkości pV i 1/V. a = -49 ą 10 b = 334 ą 4 Zaokrąglanie wyników Jeśli znane są wartość poszukiwanej wielkości fizycznej a oraz jej błąd "a należy te informacje odpowiednio zapisać. Należy pamietać, by: - zapisać odpowiednie jednostki - wartość błędu ograniczyć do 2 cyfr znaczących (czasami 1 cyfry znaczącej), - zawsze zaokrąglić go w górę, - wartość mierzonej wielkości ograniczyć do tej dokładności jaką ma błąd; Przykład Z kalkulatora lub komputera mamy wynik a=3,237578899ą0,034513 [ohm] Należy to zapisać a= 3,238ą0,035 [ohm] (dwie cyfry znaczące błędu) lub a= 3,24ą0,04 [ohm] (jedna cyfra znacząca błędu)