ABSROPCJA PPROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO W TKANKACH
DAWKI PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO: EKSPOZYCYJNA I ABSORPCYJNA
PORÓWNANIE ODDZIAŁYWANIA Z MATERIĄ RÓŻNYCH RODZAJÓW PROMIENIOWANIA, LINIOWE PRZENOSZENIE ENERGII LET, ZASIĘG
DOZYMETRIA
Działanie promieniowania jonizującego na materię jest uzależnione od rodzaju i energii tego promieniowania, od rodzaju napromieniowywanej substancji i od innych czynników.
DAWKA POCHŁONIĘTA = ABSORPCYJNA
Da = ΔE/Δm
liczbowo równa energii ΔE przekazywanej przez promieniowanie jonizujące jednostce masy Δm dowolnej substancji
wielkość najbardziej uniwersalna - dotyczy każdego rodzaju promieniowania i każdego ośrodka, w którym rozchodzi się promieniowanie
jednostka w układzie SI - Grej: Gy = J/kg
jednostka pozaukładowa - rad: 1rad = 0,01Gy = 1 cGy (centygrej)
moc dawki pochłoniętej: Pa = ΔDa/Δt [Gy/s]
bezpośrednia metoda pomiaru:
metoda kalorymetryczna, która polega na oznaczeniu wzrostu temperatury substancji napromieniowanej w kalorymetrze (nie znajduje zastosowania w pomiarach dawek pochłoniętych przez organizmy żywe)
określenie ilości energii zaabsorbowanej często nie jest możliwe, w związku z czym do ilościowej oceny promieniowania stosowana jest dawka ekspozycyjna
DAWKA EKSPOZYCYJNA
De = ΔQ/Δm
ΔQ- suma ładunków elektrycznych wszystkich jonów jednego znaku, wytworzonych przez promieniowanie w masie powietrza Δm przy zachowaniu tzw. równowagi elektronowej (=>wszystkie jony dodatnie i elektrony uwolnione w elemencie objętości powietrza są całkowicie w nim zatrzymane)
jest miarą jonizacji powietrza zachodzącej pod wpływem promieniowania rentgenowskiego lub γ
jednostka podstawowa: C/kg -> co odpowiada dawce promieniowania, która w 1 kg suchego powietrza wywołuje jonizację dającą ładunek 1 C jonów jednego znaku
jednostka pozaukładowa (stosowana dawniej) - rentgen: 1R = 2,58 x 10-4 C/kg (1 rentgen charakteryzuje takie promieniowanie rentgenowskie lub gamma, jakie w 1 kg suchego powietrza w warunkach normalnych wytwarza w efekcie jonizacji 1,61 x 1015 par jonów)
dawkę ekspozycyjną mierzy się często za pomocą komory jonizacyjnej
dawka ekspozycyjna a aktywność:
pomiędzy aktywnością próbki radioaktywnej emitującej promieniowanie gamma i dawką ekspozycyjną istnieje zależność, która w przypadku punktowego źródła promieniowania ma następującą postać:
De = Kγ A t/r2
Kγ - współczynnik proporcjonalności tzw. stała ekspozycyjna
A - aktywność próbki t - czas r - odległość
moc dawki ekspozycyjnej definiuje się jako iloraz przyrostu dawki przez wartość czasu, w którym następuje przyrost
Pe = ΔDe/Δt [C/kg s] lub [R/s]
dawka ekspozyjna może być stosunkowo łatwo i precyzyjnie zmierzona doświadczalnie, lecz dotyczy ona tylko promieniowania elektromagnetycznego (X oraz γ) i tylko powietrza
znaczenie dawki ekspozycyjnej:
pomiar jonizacji powietrza jest przeważnie podstawą określenia dawki pochłoniętej, gdy bezpośredni pomiar Da w tkankach lub innych substancjach jest bardzo trudny lub niemożliwy
* przykład (w celu wyjaśnienia różnicy pojęciowej między Da i De):
Jeśli organizm ludzki lub jego część umieści się w jednorodnym polu promieniowania rentgenowskiego, dawka ekspozycyjna może być taka sama dla kości i tkanek miękkich, natomiast dawka pochłonięta (absorpcyjna) dla kości może być znacznie większa.
Można ją obliczyć znając wartość dawki ekspozycyjnej w danym punkcie pola promieniowania i stosunku masowych współczynników pochłaniania wybranej tkanki i powietrza.
dawka ekspozycyjna nie pozwala na prawidłowe przewidywanie biologicznych skutków promieniowania: takie same dawki promieniowania różnych rodzajów mogą powodować skutki różniące się między sobą nawet kilkudziesięciokrotnie
współczynnik jakości Q:
uwzględnia skuteczność biologiczną różnych rodzajów promieniowania
jego wartość wyraża stosunek pochłoniętych dawek porównywanych rodzajów promieniowania, dających jednakowy skutek biologiczny (przy identycznych warunkach napromieniowania) => jest bezwymiarowy
zależy od LET - liniowej zdolności hamowania cząstek jonizujących w substancji, czyli od stosunku straty energii ΔE na drodze Δx toru cząstki do tej drogi
przyjmuje wartości od 1 do 20
dla poszczególnych rodzajów promieniowania pzryjmuje się przybliżone wartości Q:
* promieniowanie rentgenowskie, gamma, elektrony Q = 1
* neutrony i protony o nieznanej energii Q = 10
* cząstki α i cząstki o wielokrotnym ładunku i o nieznanej energii Q = 20
równoważnik dawki:
H = D Q N
D - wielkość dawki pochłoniętej danego rodzaju promieniowania
N - bezwymiarowy iloczyn tzw. współczynników modyfikujących (biologiczną skuteczność promieniowania) - można przyjąć: N = 1
określa implikację biologiczne spowodowane ekspozycją na promieniowanie przy małych wartościach dawek pochłoniętych
jednostka w układzie SI: sievert Sv = J/kg
również używana - rem (otrzymywana gdy D wyrażona w radach)
1 Sv = 100 rem
dawka półletalna 50/30 (LD50/30) - miara szkodliwości promieniowania
wyraża ona dawkę promieniowania, przy której 50% populacji napromieniowanych organizmów ginie w ciągu 30 dni od napromieniowania
dawka graniczna - największa dopuszczalna dawka promieniowana uważana za bezpieczną
3 różne postaci:
gdy napromieniowany jest pojedynczy organ z zewnątrz -> równoważnik dawki H
cały organizm promieniowaniem z zewnątrz -> elektryczny równoważnik dawki HT= ΣwT HT (wT - współczynnik wagowy danej tkanki /narządu; HT - średni równoważnik dawki)
gdy organizm napromieniowany promieniowaniem pochodzącym ze źródła, które znajduje się wewnątrz organizmu (wchłonięcie izotopu długożyciowego) -> elektryczny równoważnik dawki obciążającej
dawkę graniczną określa się dla osób:
* zatrudnionych w warunkach narażenia na promieniowanie jonizujące
* zamieszkałych lub przebywających w sąsiedztwie źródeł promieniowania, obiektów jądrowych oraz narażonych na wpływ promieniowania z powodu stosowania przedmiotów powszechnego użytku emitujących promieniowanie
- dawka graniczna nie uwzględnia tła naturalnego ani medycznego narażenia pacjentów
PORÓWNANIE ODDZIAŁYWANIA Z MATERIĄ RÓŻNYCH RODZAJÓW PROMIENIOWANIA
Promieniowanie jonizujące :
fale elektromagnetyczne - promieniowanie rentgenowskie i γ
korpuskularne - cząstki α i β pochodzące z rozpadu promieniotwórczego
(inne cząstki : protony i neutrony -> poprzez reakcje wtórne)
produkty absorpcji promieniowania korpuskularnego to:
elektrony i zjonizowane atomy oraz promieniowanie elektromagnetyczne i ciepło
pochłanianie promieniowania przez ośrodek uzależnione jest od własności promieniowania (od masy, energii i ładunku cząstek) i od właściwości ośrodka (przede wszystkim od jego gęstości)
porównanie własności jonizacyjnych cząstek α i β oraz kwantów γ o zbliżonej energii
liczba par jonów wytwarzanych na drodze 1 cm w powietrzu przez:
* cząstka α - rząd wielkości 104
* cząstka β - 102
* kwanty γ - 1
porównanie zasięgów, jakie uzyskują w tym samym ośrodku:
α - najmniejszy zasięg, ponieważ ich energia jest szybko zużywana na wytwarzanie jonów na swej drodze ( zasięg np. 8,1 cm)
β - większy
γ - największy (zasięg w tych samych warunkach : dziesiątki, setki metrów)
jeśli substancją hamującą jest ośrodek o n-razy większej gęstości od powietrza to liczba par jonów utworzonych na drodze 1 cm jest około n-razy większa, a zasięg n-razy krótszy
porównanie zasięgów np.:
α - zasięg w powietrzu - 3 cm w H2O - 1 μm
β - w powietrzu - 10 m w H2O - 1 cm
porównanie ochrony przed promieniowaniem (na podstawie praw kalkulowania promieniowania):
α - kartka papieru
β - cienka warstwa szkła, glinu, mosiądzu
γ - osłony ołowiane ( o grubości co najmniej kilku cm)
porównanie zachowania się cząstek w absorbencie:
α - porusza się po torach prostoliniowych, ponieważ oddziałuje przede wszystkim z elektronami, których masa jest kilka tysięcy razy mniejsza od masy cząstek α
β - przechodząc przez materię traci energię (podobnie jak cząstka α) w wyniku jonizacji i pobudzenia napotkanych elektronów, ale w przeciwieństwie do niej może utracić znaczną część swojej energii za jednym razem przez zderzenie z elektronem, ponieważ ich masy spoczynkowe są równe (cząstki β są elektronami)
dlatego też tor cząstki β w substancji jest zygzakowaty
zderzenie szybko poruszającej się cząstki β z jądrem atomu może spowodować jej gwałtowne zahamowanie i wysłanie kwantu promieniowania rentgenowskiego (promieniowania hamowania)
γ - traci w ośrodku absorpcyjnym swoją energię głównie w wyniku 3 procesów
efektu fotoelektrycznego
efektu Comptona
efektu tworzenia par pozyton - elektron
NEUTRONY
w odróżnieniu od cząstek naładowanych, tracą swą energię kinetyczną na drodze zderzeń (sprężystych lub niesprężystych) z jądrami atomowymi
przy zderzeniach sprężystych - cała energia oddawana przez neutron zwiększa jedynie energię kinetyczną jądra (najwięcej energii tracą w zderzeniach z jądrami wodoru, bo identyczne masy)
przy zderzeniach niesprężystych - część energii kinetycznej pochłaniana jest przez jądro, które ulega wzbudzeniu (wracając do stanu podstawowego wypromieniowuje kwant γ; przy wysokich energiach neutronów może dodatkowo wyemitować neutron z jądra)
spowolnione neutrony mogą zostać pochłonięte przez jądra (przy czym wypromieniowywany jest kwant γ, może też dojść do zamiany neutronu w proton
LINIOWE PRZENOSZENIE ENERGII LET (Linear Energy Transfer)
(LINIOWA ZDOLNOŚĆ HAMOWANIA)
za jej pomocą wyraża się straty energii cząstek jonizujących przy przechodzeniu przez substancje
jest to stonuek straty energii dE na drodze dx do tej drogi:
LET = dE/dx
dla promieniowania korpuskularnego LET określona jest przez wzór Bethego - Blocha (jego forma uproszczona):
-dE/dx = (B/v2)*ρ*(Z/A)
B - wielkość zależna m.in. od ilości ładunków elementarnych niesionych przez cząstkę promieniowania
v - prędkość cząstki jonizującej
ρ - gęstość absorbującego ośrodka
Z - liczba atomowa
A - liczba masowa
dla określonego rodzaju promieniowania (określone B i v) absorpcja energii jest proporcjonalna do gęstości pochłaniającego ośrodka
absorpcja energii gwałtownie rośnie w miarę spadku prędkości cząstki, czyli na końcu toru przebywanego prze nią w ośrodku pochłaniającym
ZASIĘG
zależność zasięg - energia dla cząstek ciężkich można otrzymać odpowiednio przekształcając wzór Bethego - Blocha (wersja pełna)
relacje zasięg - energia dla elektronów zostały otrzymane głównie na drodze empirycznej; okazało się, że dla elektronów powyżej 5keV zależność tę można opisać prostym wzorem:
R = AEm A,m- stałe zależne od ośrodka