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

D_a = 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: P_a = ΔD_a/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

D_e = 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:

D_e = K_γ A t/r²

K_γ - 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

P_e = ΔD_e/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 D_a w tkankach lub innych substancjach jest bardzo trudny lub niemożliwy

* przykład (w celu wyjaśnienia różnicy pojęciowej między D_a i D_e):

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 (LD_50/30) - 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:

1. gdy napromieniowany jest pojedynczy organ z zewnątrz -> równoważnik dawki H

2. cały organizm promieniowaniem z zewnątrz -> elektryczny równoważnik dawki H_T= Σw_T H_T (w_T - współczynnik wagowy danej tkanki /narządu; H_T - średni równoważnik dawki)

3. 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

1. efektu fotoelektrycznego

2. efektu Comptona

3. 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 = AE^m A,m- stałe zależne od ośrodka

---