Transcript napromieniowanie zewnętrzne

ODDZIAŁYWANIE
PROMIENIOWANIA
Z MATERIĄ
TADEUSZ HILCZER
Plan wykładu
1. Wprowadzenie
2. Podstawowe pojęcia
3. Zderzenie i rozproszenie
4. Przewodnictwo materii
5. Naturalne źródła promieniowania jonizującego
6. Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio
7. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio
8. Źródła promieniowania jonizującego
9. Pole promieniowania jonizującego
10. Detekcja promieniowania
11. Skutki napromieniowania materii żywej
12. Dozymetria medyczna
13. Ochrona przed promieniowaniem
14. Osłony przed promieniowaniem
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
2
OCHRONA PRZED
PROMIENIOWANIEM
JONIZUJACYM
Napromieniowanie
• napromieniowanie zewnętrzne - źródło promieniowania
znajduje się na zewnątrz napromieniowanego ciała
– można osłabić strumień promieniowania wprowadzając
osłony pomiędzy źródło a ciało
• napromieniowanie wewnętrzne - źródło promieniowania
znajduje się wewnątrz ciała (wprowadzone celowo,
przypadkowo lub będące naturalnym składnikiem
– nie jest możliwa zmiana strumienia promieniowania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
4
Napromieniowanie
• energię pochłoniętą przez materię można wyznaczyć znając
– średnią liczbę masową
– gęstość
– energię jonizacji
–…
• energię pochłoniętą przez materię biologiczną, szczególnie
przez organizm ludzki, wyznaczyć jest bardzo trudno
– wprowadza się dodatkowe pojęcia uwzględniające
specyficzne zagrożenia biologiczne
– trzeba uwzględniać nie zlokalizowane naturalne
promieniowanie jonizujące
• rozpad promieniotwórczy w bezpośrednim otoczeniu
• promieniowanie kosmiczne
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
5
Średnie udziały różnych źródeł promieniowania
źródło promieniowania
%
źródła naturalne
(87)
promieniowanie kosmiczne
14
promieniowanie g skorupy ziemskiej
19
napromieniowanie wewnętrzne pospolitymi izotopami 17
promieniotwórczymi
radon w powietrzu
32
toron w powietrzu
5
źródła sztuczne
(13)
działania medyczne
11 ,5
zgromadzone odpady promieniotwórcze
0 ,5
przemysłowe zastosowanie izotopów
promieniotwórczych
0 ,4
energetyka jądrowa
0 ,1
inne
0 ,5
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
6
Napromieniowanie
• stosowanie źródeł promieniowania, niezależnie od celu,
wymaga
– różnych form ochrony
– dobrze przemyślanych i obliczonych osłon
– kontroli dozymetrycznej
– kontroli lekarskiej
– itp.
• podstawowym założeniem wszelkich norm i warunków
powinna być zasada ALARA (As Low As Realiably
Achievable - tak małe jak tylko jest możliwe)
• należy uwzględniać nie tylko zagadnienia fizyczne,
biologiczne, ale również społeczno-ekonomiczne
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
7
Napromieniowanie
• szczegółowe przepisy ochrony radiologicznej określają
wyspecjalizowane organizacje międzynarodowe
– UNSCEAR - Naukowy Komitet ONZ do spraw Skutków
Promieniowania Atomowego - (United Nations Scientific
Committee on the Effects of Atomic Radiation)
– IAEA - Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (International Atomic Energy Agency)
– ICRP - Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej
- (International Commission on Radiological Protection)
– WHO - Międzynarodowa Organizacja Zdrowia - (World
Health Organization)
– ILO - Międzynarodowa Organizacja Pracy - (International
Labour Organization)
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
8
Ekspozycja
• ekspozycja X (exposure) (wielkość niestochastyczna) energia przekazana przez źródło promieniowania X lub g
objętości V
– stosunek bezwzględnej wartości sumy ładunków jonów
jednego znaku dq, wytworzonych w powietrzu (suchym
w warunkach normalnych) przy zachowaniu równowagi
elektronowej, przez źródło promieniowania X lub g do
masy dm:
dq
X
dm
• jednostka ekspozycji: kulomb na kilogram (powietrza)
[X] = [C kg-1powietrza]
• stosowana poprzednio jednostka: rentgen
[R] = 0,258 [mC kg-1powietrza]
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
9
Moc ekspozycji
• moc ekspozycji - stosunek ekspozycji do czasu:
d X d  dq 

X  Xm 
 

dt dt  d m 
• jednostka mocy ekspozycji: kulomb na kilogram (powietrza)
na sekundę
[Xm] = [C kg-1powietrze sek-1]
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
10
Dawka
• dawka D (dose) (wielkość niestochastyczna) - energia
pochłonięta przez materię (nie tylko przez powietrze)
– średnia energia dEe pochłonięta przez element masy dm
dEe
D
dm
• jednostka dawki: grej
[Gy] = dżul na kilogram = [J kg-1]
• stosowana poprzednio jednostka: 1 rad (radiation absorbed
dose)
[rad] = 10-2 [Gy] = 10-2 [J/kg].
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
11
Moc dawki
• moc dawki - średnia energia dEe pochłonięta przez element
masy dm w czasie dt:
d D d  d Ee 

D  Dm 
 

dt dt  d m 
• jednostka mocy dawki: grej na sekundę
[Dm] = [Gy s-1] = [J kg-1 s-1] = [W kg-1]
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
12
Kerma
• kerma K (kinetic energy released in unit mass) – (wielkość
niestochastyczna) - średnia energia dEe pochłoniętą przez
element masy dm pochodzącą promieniowania jonizującego
pośrednio (promieniowanie g, neutrony) lub promieniowania
jonizującego bezpośrednio znajdującego się wewnątrz
ciała pochłaniającego energię:
dEe
K
dm
• jednostka kerma: grej [Gy]
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
13
Moc kerma
• moc kerma: średnia energia dEe pochłoniętą przez element
masy dm w czasie dt :
d K d  d Ee 

K Km 
 

dt dt  dm 
• jednostka mocy kerma: 1 grej na sekundę
[Km] = [Gy s-1] = [J kg-1 s-1] = [W kg-1]
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
14
Równoważnik dawki
• równoważnik dawki H (dose equivalent) - uwzględnia skutki
biologiczne dla najbardziej czułych organów
H=DQF
D - dawka promieniowania [Gy]
Q - bezwymiarowy współczynnik jakości (quality factor)
F - bezwymiarowy iloczyn wszystkich dodatkowych
czynników
• jednostka równoważnika dawki: siwert
[Sv] = [J kg-1]
• poprzednio stosowana jednostka: rem (roentgen equivalent
man) - dawka wyrażana w radach
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
15
Moc równoważnika dawki
• moc równoważnika dawki :
dH
H  Hm 
dt
• jednostka mocy równoważnika dawki: siwert na sekundę
[Hm] – [Sv sek-1]
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
16
Współczynnik jakości
• współczynnik jakości Q związany jest ze zdolnością
hamowania S w procesach jonizacyjnych
• dla nie monoenergetycznego źródła promieniowania określa
się średni współczynnik jakości :

1
Q   QDS d S
D0
D(S) - dawka odpowiadająca określonej zdolności
hamowania S
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
17
Współczynnik jakości Q
energia
współczynnik Q
cząstka
PAA 1988
ICRP 1990
fotony (X i g)
>30 keV
1
1
elektrony powyżej
>30 keV
1
1
promieniowanie b trytu
Neutrony
2
<10 keV
4,5
5
l0 keV -100 keV
25
10
100 keV - 2 MeV
25
20
2 MeV - 20 MeV
25
10
> 20 MeV
25
5
Protony
> 2 MeV
25
5
Cząstki a i ciężkie jądra
-
25
20
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
18
Współczynnik jakości Q
Q
30
20
10
0
1
10
100
1000
S [keV/m]
Zależność współczynnika jakości Q od zdolności hamowania S
ciężkich cząstek w wodzie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
19
Równoważnik dawki
• równoważnik dawki HT (dose equivalent) - sumaryczny
efekt napromieniowania w określonej tkance lub narządzie,
pochodzący od różnych rodzajów promieniowania
H T   w R DTR
wR - współczynnik wagowy promieniowania
R
– jednostka równoważnika dawki - sivert
• moc średniego równoważnika dawki:
dH

HT  (HT )m 
dt
– jednostka mocy równoważnika dawki: siwert na sekundę
[(HT)m] = [Sv sek-1]
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
20
Współczynniki wagowe narządów
tkanka lub narząd
współczynnik wT
PAA 1988
ICRP 1990
Gonady
0,25
0,20
Czerwony szpik kostny
0,12
0,12
Jelito grube
-
0,12
Płuca
0,12
0,12
Żołądek
-
0,12
Pęcherz moczowy
-
0,05
Gruczoły piersiowe
0,15
0,05
Wątroba
-
0,05
Przełyk
-
0,05
Tarczyca
0,03
0,05
Skóra
-
0,01
Powierzchnia kości
0,03
0,01
Pozostałe
0,30
0,05
Całe ciało
1,00
1,00
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
21
Efektywny współczynnik dawki obciążającej
• efektywny równoważnik dawki obciążającej Hef50- energia
wchłonięta przez ustrój
H ef 50 
t 0 50
 H
ef
(t ) dt
t0
H ef (t ) - moc efektywnego równoważnika dawki wywołanej
wchłonięciem,
t0 - moment wchłonięcia
– jednostka efektywnego równoważnika dawki obciążającej
sivert
• efektywny równoważnik dawki obciążającej oblicza się dla
okresu 50 lat - średni okres aktywnej pracy człowieka
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
22
Dawki graniczne
• promieniowanie jonizujące nie jest obojętne dla żadnego
organizmu żywego
• ze względu jednak na konieczność rozsądnego traktowania
tego zagrożenia wprowadza się dawki graniczne (poprzednio
nazywane dawką dopuszczalną)
– wartość określana na podstawie statystycznych
obserwacji skutków napromieniowania dla całego ciała
lub wybranego organu
• przez ponad sto lat, jakie upłynęły od momentu rozpoczęcia
obserwacji skutków napromieniowania, obserwuje się stałe
zmniejszanie wartości dawek uznawanych jako graniczne
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
23
Dawki graniczne
• dawka graniczna jest określana albo jako
– dawka efektywna wyrażająca zagrożenie całego ciała;
– równoważnik dawki w danym punkcie ciała, określający
zagrożenie dla wybranego organu
– efektywny równoważnik dawki obciążającej, określający
zagrożenie podczas całej aktywnej pracy
• jako symulator ciała ludzkiego (zgodnie z zaleceniami ICRU,
1980) przyjmuje się kulę o średnicy 30 cm, wypełnioną
materiałem lekkim (np. wodą) o gęstości 1 g/cm3
– dawkę wyznacza się dla środka kuli
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
24
Wskaźniki pochodne
• do określania zagrożenia przy napromieniowaniu
wewnętrznym najwyższej grupy zagrożenia stosuje się
wskaźniki pochodne
– pochodne stężenie w powietrzu DAC (Deriver Air
Concentration)
– roczne wchłonięcie graniczne ALI (Anual Limit of Intake)
• pochodne stężenie w powietrzu określa maksymalne
gęstości aktywności w przestrzeni otwartej i w
pomieszczeniach laboratoryjnych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
25
Wskaźniki pochodne
• roczne wchłonięcie graniczne - dawka promieniowania
pochłonięta drogą pokarmową i drogą oddechową
odpowiadające
– efektywnemu równoważnikowi dawki obciążającej 50
mSv
– równoważnikowi dawki obciążającej w soczewkach oczu
150 mSv
– równoważnikowi dawki obciążającej w innej tkance lub
narządzie 500 mSv.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
26
Wskaźniki pochodne
Roczne wchłonięcie graniczne - ALI
jądro atomowe
3
H
14
C
24
Na
40
K
42
K
57
Co
60
Co
125
J
137
Cs
235
U
238
U
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
ALI [106 Bq]
droga oddechowa
3000
90
200
10
200
20
1
2
6
0,05
0,05
droga pokarmowa
3000
90
100
10
200
200
7
1
4
0,002
0,002
27
Wskaźniki pochodne
Stężenia promieniotwórczych jąder atomowych w powietrzu
DAC
Jądro
atomowe
3
H
37
Ar
39
Ar
76
Kr
85
Kr
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
DAC [Bq/m3]
półprzestrzeń
pomieszczenie
8105
51010
7104
6105
5106
1000 m3
8105
51010
7104
7106
5106
100 m3
8105
51010
7104
2105
5106
28
Wskaźniki pochodne
• napromieniowanie złożone - równoczesne napromieniowanie
zewnętrzne i wewnętrzne
– uwzględnienie skutki obu rodzajów napromieniowania
• dawka graniczna przy napromieniowaniu złożonym nie jest
przekroczona gdy
Hp
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
n
Ai

1
Dg i 1 ALIi
( 1)
HS
1
10Dg
( 2)
29
Zagrożenia wywołane promieniotwórczością naturalną
• w środowisku naturalnym źródłem promieniowania są jądra
promieniotwórcze
– pochodzenia geologicznego
– pochodzące z przemiany izotopów stabilnych pod
wpływem promieniowania kosmicznego
– pochodzące ze źródeł sztucznych
• pierwiastki promieniotwórcze pochodzenia geologicznego to
głównie składniki szeregów promieniotwórczych
– uranowo - radowego; jądro pierwotne 238U
– torowego; jadro pierwotne 232Th
– uranowo -aktynowego; jądro pierwotne 235U.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
30
Zagrożenia wywołane promieniotwórczością naturalną
• istotną rolę w środowisku naturalnym odgrywa 40K, mający
również pochodzenie geologiczne, emitujący
promieniowanie b
• na obecność jąder promieniotwórczych w środowisku
człowieka ma istotny wpływ działalność gospodarcza
– eksploatacja i użytkowanie surowców mineralnych
• węgla
• ropy naftowej
• gazu ziemnego
– śladowe ilości jader promieniotwórczych powodują
wzrost ich zawartości w środowisku
• w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego
powstają jadra m.in. 14C i 3H
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
31
Zagrożenia wywołane promieniotwórczością naturalną
• obecność ciężkich jąder promieniotwórczych w środowisku
człowieka (226Ra i 222Rn) nie można traktować jako zjawiska
naturalnego
– światowe spalanie węgla wprowadza rocznie do
atmosfery około 150 Ci 226Ra
– przemysł fosforowy wprowadza około 400 Ci 226Ra.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
32
Skażenie środowiska jądrami promieniotwórczymi
• na powierzchni Ziemi znaczna dodatkowa ilość jąder
promieniotwórczych pojawiła się w latach 50. XX w. w
wyniku doświadczalnych eksplozji jądrowych w atmosferze
– skażenie powierzchni terenu spowodowało około 200
izotopów promieniotwórczych
– największe zagrożenie 90Sr, 137Cs, 131J
• na początku lat 60. XX w. wystąpiło na obszarze Europy
Środkowej maksimum skażenia promieniotwórczego
– w roku 1963 stężenie trytu w wodach opadowych
przekroczyło 3000 TU (jednostek trytowych)
• w roku 1961 było 75 TU
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
33
Skażenie środowiska jądrami promieniotwórczymi
• w całkowitym rocznym opadzie atmosferycznym w latach
80. XX w.zawartość jąder promieniotwórczych o długim
czasie połowicznego zaniku wynosiła
– 134Cs - 753 Bq/m2
– 137Cs - 1511 Bq/m2
– 90Sr - 22 Bq/m2
• wyniku pożaru i eksplozji reaktora jądrowego w elektrowni
w Czarnobylu w roku 1986 do atmosfery dostało się ponad
20 izotopów promieniotwórczych
– głównie 131J, 89Sr, 90Sr, 91Sr, 134Cs, 137Cs
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
34
Skażenie środowiska jądrami promieniotwórczymi
• W Polsce w całkowitym rocznym opadzie atmosferycznym
na początku lat 90. XX w. średnia zawartość jąder
promieniotwórczych (w Bq/m2) o długim czasie
połowicznego zaniku wynosiła
–
4670 na obszarze kraju
– 16600 na obszarze b. województwa opolskiego
– 100000 w rejonie Nysy
–
8300 na obszarze b. województwa ostrołęckiego
–
7600 na obszarze b. województwa częstochowskiego
• wykrywanie i usuwanie skażeń promieniotwórczych jest
pośrednią metodą ochrony radiologicznej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
35
Napromieniowanie zewnętrzne
• napromieniowanie zewnętrzne
– promieniowanie g jąder promieniotwórczych znajdujących
się w otoczeniu
– składowa jonizująca i neutronowa promieniowania
kosmicznego.
• głównym źródłem promieniowania g pochodzącego od jąder
promieniotwórczych pochodzenia ziemskiego są:
– potas 40K (35%)
– jądra promieniotwórcze szeregu uranowo-radowego
(25%)
– jądra promieniotwórcze szeregu torowego (40%)
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
36
Napromieniowanie zewnętrzne
• moc dawki pochłoniętej pochodząca od promieniowania g
źródeł promieniotwórczych znajdujących się w skorupie
ziemskiej (na wysokości 1 m nad powierzchnią Ziemi)
wynosi od 20 do 150 nGy/h w zależności od miejsca na
Ziemi.
• średnia ważona (według zaludnienia) wynosi 55 nGy/h,
– odpowiada średniemu efektywnemu równoważnikowi
dawki 0,41 mSv/rok
• rozpiętość wartości średniego efektywnego równoważnika
dawki dla poszczególnych rejonów jest duża
– w USA
około 0,28 mSv/rok,
– w Szwecji
około 0,64 mSv/rok.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
37
Napromieniowanie zewnętrzne
• istnieją obszary o anomalnej promieniotwórczościa na
których ludność (ok. 5% populacji swiata) otrzymują
znacznie większe dawki promieniowania
• obszary takie znajdują się na obszarze
– Włoch
– Brazylii
– Francji
– Indii
– Chin
– Iranu
– Nigeru
– Madagaskaru
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
38
Napromieniowanie zewnętrzne
• Indie - prowincja Kerala i Tamil Naru
– złoża monazytu (domieszki toru do 10%) - dawka
przekracza kilkadziesiąt razy wartość średnią
• Brazylia - stany Espirito Santo i Rio de Janeiro
– na tzw. czarnych plażach (piasek monazytowy) dawka
przekracza około 400 razy wartość średnią
• Brazylia - stan Minas Gerais - Góra Żelaza (Morro do Ferro)
– złoża apatytów o dużej zawartości uranu i toru – dawka
przekracza prawie 1000 razy wartość średnią
• Iran - w miejscowość Ramsar
– okolica źródeł wody zawierającej 222Ra - dawka
pochłonięta w powietrzu jprzekracza około 1000 razy
wartość średnią
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
39
Napromieniowanie zewnętrzne
• głównym pozaziemskim źródłem promieniowania
jonizującego jest promieniowanie galaktyczne
• wtórne promieniowanie kosmiczne przy powierzchni Ziemi
ma składową jonizującą i składową neutronową
• na poziomie morza:
– składowa jonizująca - moc dawki 2710-9 Gy/h (dawka efektywna 240 mSv/rok)
– składowa neutronowa - strumień 810-3 n/cm2s moc dawki 0,410-9 Gy/h (dawka efektywna 20 mSv/rok)
• udział obu składowych rośnie z wysokością - wartości
maksymalne
– składowa jonizująca (powyżej 25 km) 8 mGy/h.
– składowa neutronowa (na ok. 20 km) 0,2 mGy/h.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
40
Napromieniowanie zewnętrzne
• na wysokości 1 km dawka promieniowania kosmicznego jest
większa o 40 %, a na wysokości 2 km o 240 % w stosunku
do dawki na poziomie morza
• przelot na trasie Paryż - Nowy Jork (czas 7,4 godz,
wysokość 11 km) - dodatkowa dawka 16 mSv
• uśredniona po wszystkich grupach mieszkańców kuli
ziemskiej moc efektywnego równoważnika dawki od źródeł
pozaziemskich wynosi 355 mSv/rok
– 300 mSv/rok pochodzi od składowej jonizującej
– 55 mSv/rok pochodzi od składowej neutronowej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
41
Naturalne osłony
• naturalne osłony przed promieniowaniem ze źródeł
zewnętrznych
– promieniowanie gamma
• jak największa odległość
– promieniowanie beta
• kilkucentymetrowa warstwa powietrza która pochłania
znaczną część energii promieniowania
– promieniowanie alfa
• zrogowaciała warstwa naskórka pochłania całkowicie
promieniowanie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
42
Napromieniowanie wewnętrzne
• zagrożenie od źródeł promieniowania znajdujących się
wewnątrz organizmu jest dużo większe niż od takich samych
źródeł działających z zewnątrz
– substancje promieniotwórcze znajdują się w
bezpośredniej styczności z żywymi tkankami
– wszystkie cząstki lub fotony emitowane przez źródło
trafiają w tkankę żywą
– brak możliwości przerwania napromieniowania
– brak jakiejkolwiek osłony przed promieniowaniem
• promieniowanie alfa źródeł znajdujących się wewnątrz
organizmu jest jednym z najbardziej szkodliwych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
43
Napromieniowanie wewnętrzne
• szczególne niebezpieczeństwo stwarzają
– otwarte źródła promieniowania
• materiały promieniotwórcze pozbawione szczelnej i trwałej
obudowy
– źródła w postaci łatwo pylącej lub lotnej
– skażone substancjami promieniotwórczymi powuerzchnie
• stołów
• podłóg
• odzieży
• ciała
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
44
Laboratorium źródeł otwartych
laboratorium
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
śluza
monitor
45
Napromieniowanie wewnętrzne
• substancje promieniotwórcze mogą przedostawać się do
wnętrza organizmu
– przez płuca
• ilość powietrza zużywana do oddychania wynosi około
2104 litrów na dobę
• substancje promieniotwórcze są łatwo przyswajalne
przez organizm
– w postaci roztworu
» w stanie ciekłym małe skażenie
– w postaci pyłu (>1 mm) przedostają do krwi i są
roznoszone po całym ciele
» stopień przyswajania do kilkudziesięciu procent
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
46
Napromieniowanie wewnętrzne
• substancje promieniotwórcze mogą przedostawać się do
wnętrza organizmu
– przez przewód pokarmowy
• ilość wody wprowadzana do organizmu pod
wszystkimi postaciami wynosi około 2,5 litrów na dobę
• stopień przyswajania
– związki nierozpuszczalne - ułamek procenta
– związki rozpuszczalne - od kilkudziesięciu do stu
procent
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
47
Napromieniowanie wewnętrzne
• substancje promieniotwórcze mogą przedostawać się do
wnętrza organizmu
– przez skórę
• nieuszkodzoną jest nieznaczne i nie stwarza większego
niebezpieczeństwa
• wszelkie uszkodzenia stwarzają możliwość
łatwiejszego przedostania się do wnętrza organizmu
substancji promieniotwórczych
• niektóre rozpuszczalniki ułatwiają przenikanie przez
skórę rozpuszczonych w nich substancji
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
48
Napromieniowanie wewnętrzne
• większość substancji promieniotwórczych jest gromadzona
selektywnie przez różne organy, np.
– w tkance kostnej - wapniowce (wapń, stront, bar i rad)
– w tarczycy - jod,
– w nerkach - rozpuszczalne związki uranu
• o stopniu zagrożenia decyduje zwykle dawka otrzymywana
przez organ krytyczny
• obliczenie dawek, otrzymywanych przez organy krytyczne w
zależności od rodzaju substancji promieniotwórczych jest
skomplikowane i opiera się na wielu trudnych do ścisłego
sprecyzowania efektach biologicznych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
49
Napromieniowanie wewnętrzne
• po wchłonięciu przez organizm jąder promieniotwórczych o
czasie T1/2 w stosunku do czasu życia organizmu
– znacznie dłuższym (232Th, 238U, 226Ra,…)
• możliwe jest jedynie wydalanie biologiczne
• aktywność właściwa osiąga w organizmie stan
nasycenia
– w kościach dorosłego człowieka aktywność
właściwa uranu wynosi ok. 0,150 Bq/kg
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
50
Napromieniowanie wewnętrzne
• po wchłonięciu przez organizm jąder promieniotwórczych o
czasie T1/2 w stosunku do czasu życia organizmu
– znacznie krótszym
• są w organizmie w równowadze promieniotwórczej z
jądrem o długim czasie T1/2
• jądro to określa
– aktywność
– możliwość wydalania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
51
Napromieniowanie wewnętrzne
• po wchłonięciu przez organizm jąder promieniotwórczych o
czasie T1/2 w stosunku do czasu życia organizmu
– porównywalnym
• zagrożenie zależy od wchłoniętego jądra
• możliwość wydalania zależy od wchłoniętego jądra
– szczególnie niebezpieczny jest 210Pb (T1/2 = 22,3
lat, produkt rozpadu 222Rn) wdychany z pyłami
lokalizuje się w tkankach selektywnie wiążących
ołów
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
52
Napromieniowanie wewnętrzne
Aktywność właściwa różnych jąder promieniotwórczych, zawarta w produktach
żywnościowych, w wodzie i w powietrzu oraz ich przeciętna konsumpcja
produkt
aktywność właściwa
231
230
226
U
Th
Ra
234
U
210
2
232
5
0,3
(kg/rok)
105
Produkty
mleczne
Produkty
mięsne
Produkty
zbożowe
Warzywa
liściaste
Warzywa
korzenne i
owoce
Ryby
Woda
1
0,5
5
Pb
Th
Po
[Bq/kg]
90
0,3
2
2
15
120
1
10
1
50
20
10
80
320
3
60
3
140
20
20
50
50
15
40
15
60
3
0,5
30
50
0,5
20
0,5
170
30
1
0,1
100
0,5
0,5
-
Powietrze
1
0,5
0,5
5000
5
0,01
3
[Bq/m ]
501
500
1
1
15
500
3
[m /rok]
8000
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
Ra
228
Kons.
228
Th
10
53
Napromieniowanie wewnętrzne
Wchłanianie jąder promieniotwórczych i efektywne moce dawki
jądro atomowe
238U
- 234U
230Th
226Ra
210Pb - 210Po
232Th
228Ra
228Th
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
wchłanianie [mBq/rok]
spożycie
wdychanie
1,0.104
2,5.103
1,9.104
9.104
1,3.103
1,4.104
1,3.103
14
3,5
4
3,9.103
7
7
7
moc dawki
[Sv/rok]
0,8
0,4
5,7
47
1,9
3,5
0,6
54
Napromieniowanie wewnętrzne
• największy udział do napromieniowania wewnętrznego
wnosi
– wdychany z powietrzem radon 222Rn (T1/2 = 3,83 dnia)
– krótkożyciowe produkty jego rozpadu (2l8Po, 214Pb, 214Bi,
214Po)
• aktywność właściwa radonu
– w powietrzu na otwartej przestrzeni nad powierzchnią
Ziemi wynosi średnio 3 Bq/m3 (0,1 - 10 Bq/m3)
– w powietrzu pomiędzy ziarnami gruntu wynosi średnio
104 Bq/m3
– w zamkniętych pomieszczeniach jest o wiele wyższe
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
55
Napromieniowanie wewnętrzne
• średnie stężenie radonu w pomieszczeniach wynosi
– w Europie - około 20-50 Bq/m3
• w Skandynawii osiąga 100 Bq/m3
– w USA – około 55 Bq/m3
• w kilku procentach domów przekracza 300 Bq/m3
• przebywanie przez całe życie w mieszkaniu o stężeniu
radonu 150 Bq/m3 powoduje dodatkowe ryzyko 1-3%
zachorowania na raka płuc
• w strefie umiarkowanej (70 % populacji) średnia moc
efektywnego równoważnika dawki od radonu i jego
krótkotrwałych produktów rozpadu wynosi ponad 1 mSv/rok
– najwyższy przyczynek do dawki z naturalnych źródeł
promieniotwórczych.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
56
Napromieniowanie wewnętrzne
• średnie stężenie w powietrzu toronu 220Tn (T1/2 = 56 s) jest
kilkaset tysięcy razy mniejsze od stężenia radonu 220Rn
• aktywność właściwa jest 5.105 razy większa od aktywności
właściwej 220Rn
• stężenie toronu w powietrzu w stosunku do radonu
– w przyziemnej warstwie atmosfery na zewnątrz
budynków jest dwukrotnie większe
– wewnątrz budynków jest około 15 razy mniejsze
• średnia moc efektywnego równoważnika dawki od
wdychanego toronu wynosi około 100 mSv/rok
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
57
Napromieniowanie wewnętrzne
• znaczący wkład do dawki napromieniania wewnętrznego
wnoszą potas 40K i rubid 87Rb
• potas 40K w ciele ludzkim
– średnie stężenie - około 2 g/kg
• maleje o około 10 mg/kg rocznie.
– aktywność właściwa - około 60 Bq/kg.
– największe stężenie w czerwonym szpiku kostnym około 130 Bq/kg.
– średnia moc efektywnego równoważnika dawki - około
165 mSv/rok.
• rubid 87Rb w ciele ludzkim:
– średnia aktywność właściwa – około 8,5 Bq/kg,
– średnia moc efektywnego równoważnika dawki – około
6 mSv/rok.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
58
Napromieniowanie wewnętrzne
• z jąder promieniotwórczych wytwarzanych przez
promieniowanie kosmiczne (3H, 7Be, 14C i 22Na) istotne
znaczenie ma tylko węgiel 14C
– aktywność właściwa jąder 14C wynosi 227 Bq/kg.
• węgiel 14C w ciele ludzkim
– aktywność właściwa – około 50 Bq/kg,
– średnia moc efektywnego równoważnika dawki - około
12 mSv/rok.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
59
Napromieniowanie wewnętrzne
Moc efektywnego równoważnika dawki [Sv/rok]
Źródło promieniowania
zewnętrznie
wewnętrznie
300
200
łącznie
Promieniowanie kosmiczne
składowa jonizująca
składowa neutronowa
55
wytworzone jadra atomowe
500
55
15
15
Szereg uranowo-torowy
(bez radonu)
100
60
160
Szereg torowy (bez toronu)
160
6
166
1260
1260
165
315
6
6
1510
2280
Radon i krótkożyciowe produkty
rozpadu
Potas
40K
150
Rubid
87Rb
łącznie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
770
60
Napromieniowanie wewnętrzne
• na obszarach o zwiększonym stężeniu jąder
promieniotwórczych w glebie w występuje zwiększona
aktywność w mleku, zbożach i warzywach
– np. w Brazylii i w Indiach, stężenie 228Th jest w
niektórych miejscach od 100 do 1000 razy wyższe od
stężenia średniego
• w orzeszkach brazylijskich, selektywnie absorbujące bar,
jest wyjątkowo duże stężenie radu, aktywność właściwa
osiąga 50 kBq/kg
– zgodnie z przyjętymi normami odpowiada klasie źródeł
promieniotwórczych niskoaktywnych
– orzeszki należy traktować jako słabe źródło
promieniotwórcze albo jako odpad promieniotwórczy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
61
Napromieniowanie wewnętrzne
• Na początku lat 60. ubiegłego stulecia roczną dawkę
promieniowania jonizującego ze źródeł naturalnych
działającego na gonady była w granicach (0,8-1,8) mSv
• Na dawkę tę składało się:
– oddziaływanie promieniowania kosmicznego (0,23-0,73)
mSv/rok,
– promieniowanie podłoża (0,25-0,75) mSv/rok
– inkorporacja poprzez produkty spożywcze i powietrze
atmosferyczne
• promieniowania 40K 0,19 mSv/rok,
• promieniowania 14C 0,127 mSv/rok,
• promieniowania 226Ra 0,07 mSv/rok.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
62
Napromieniowanie wewnętrzne
• średnia wartość efektywnego równoważnika dawki
promieniowania, otrzymywanego przez mieszkańców Polski
w roku 1992 wynosiła 3,6 mSv/rok
• duża dawka promieniowania wewnątrz budynków (1,58
mSv/rok) spowodowana jest głównie przez 222Rn i jego
pochodne (218Po, 214Po, 210Pb, 210Bi i 210Po), których źródłem
są materiały budowlane oraz gaz ziemny i woda
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
63
Napromieniowanie wewnętrzne
Średnie wartości efektywnego równoważnika dawek w roku 1992 na 1 osobę
Składowe promieniowania
Promieniowanie kosmiczne
Średnia dawka
Sv/rok
0,29
Promieniowanie g z podłoża
0,04
1,1
Promieniowanie 220Rn i 222Rn oraz ich pochodnych na
wolnym powietrzu
Opad promieniotwórczy po wybuchach jądrowych i po
katastrofie czarnobylskiej
Promieniowanie g w budynkach
0,08
2,2
0,021
0,6
0,38
10,6
Promieniowanie 220Rn i 222Rn oraz ich pochodnych, w
powietrzu wewnątrz budynków
Jądra promieniotwórcze inkorporowane (bez radonu)
1,58
43,9
0,409
11,4
Diagnostyka rentgenowska i badania in vivo
0,78
21,7
Zagrożenia zawodowe w górnictwie
0,016
0,4
Inne (przedmioty powszechnego użytku)
0,005
0,1
3,601
100,0
razem
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
Udział
procentowy
8,0
64
Napromieniowanie wewnętrzne
• równoważnik dawki maksymalnie dopuszczalnej - RDMD
(wprowadzony przez Międzynarodową Komisję Ochrony
Radiologicznej - CIPR) - graniczna wartość średnich stężeń
jąder promieniotwórczych w powietrzu, wodzie i w
artykułach spożywczych, gwarantujących granice
bezpieczeństwa dla tzw. statystycznego człowieka.
• Przy ustalaniu RDMD brany jest pod uwagę aktualny stan
wiedzy o wpływie promieniowania jonizującego
– na organizm człowieka (efekty somatycznee)
– skutki pokoleniowe (efekty genetyczne)
• Wraz z postępem wiedzy obniża się dopuszczalna dawka
promieniowania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
65
Napromieniowanie wewnętrzne
• Według CIPR
– najwyższa dopuszczalna dawka promieniowania na całe
ciało, gonady i narządy krwiotwórcze wynosi 5 mSv/rok
– dawka skumulowana - 50 mSv/30 lat
– średnia roczna dawka nie powinna jednak przekraczać
1,67 mSv
– wyższa dawka niż dopuszczalna 5 mSv/rok jest
uzasadniona tylko w bardzo określonych przypadkach
krótkotrwałej ekspozycji organizmu na promieniowanie
jonizujące
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
66
Napromieniowanie wewnętrzne
• Skażenia radiologiczne wody - Światowa Organizacja
Zdrowia (WHO) w porozumieniu z Międzynarodową Komisją
Ochrony Radiologicznej, zaleca dawkę maksymalnie
dopuszczalną równą 0,1 mSv/rok
• wielkość została ustalona przy przyjęciu
– określonej część ogólnej dawki promieniowania ze źródeł
naturalnych przyjętej dla statystycznego człowieka (2,4
mSv/rok)
– statystycznej masy ciała dorosłego człowieka
– statystycznej konsumpcji wody
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
67
Skażenie promieniotwórcze wody
• wody powierzchniowe oraz infiltracyjne narażone są
bezpośrednio na zanieczyszczenia na skutek opadu pyłu
promieniotwórczego, deszczu lub skażonej wody rzecznej
• pierwiastki promieniotwórcze wraz z innymi substancjami
występującymi w wodzie migrują lub osadzają się w podłożu
gruntowym a także na filtrach wodociągowych
– możliwość przenikania jąder promieniotwórczych do
wody pitnej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
68
Promieniotwórczość terenu
• promieniotwórczość terenu zależy od
– lokalnej aktywności geologicznej
– rodzaju skał występujących w podłożu
– materiałów budowlanych
• średnie stężenie w glebie jąder promieniotwórczych
pochodzenia geologicznego wynosi
– rad 226Ra - 26 Bq/kg
– tor 228Th - 26 Bq/kg
– potas 40K - 370 Bq/kg
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
69
Promieniotwórczość terenu
Średnie stężenie ciężkich jąder promieniotwórczych w skałach
Skały
granity
bazalty
piaski kwarcowe
wapienie
iły
piaski wzbogacone
w minerały ciężkie
fosforyty
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
Uran [g/t]
3
1
0,45
2,2
1,8
2
Tor [g/t]
17
3
1,7
1,7
13
60
Th/U
5,7
3
4
1
7,2
30
100 – 200
(max. 650)
50
0,25 - 0,5
70
Promieniotwórczość terenu
Średnie stężenia jąder promieniotwórczych
Stężenie [Bq/kg]
materiał
wapno
piasek
margiel
glina
ił
popioły lotne
żużel
(miedź)
fosfogips
cement
beton
ceramika
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
f1
f2
3
9
14
48
44
82
45
0,09
0,12
0,18
0,50
0,48
0,88
1,23
24
8
21
47
38
127
295
15
20
36
49
1,08
0,27
0,45
0,54
358
48
65
51
40
226
228
46
228
257
621
692
676
902
24
8
21
47
38
127
295
109
204
500
722
358
48
65
51
K
Ra
Th
71
Promieniotwórczość terenu
• Na zewnątrz budynków istotne znaczenie ma
– promieniowanie kosmiczne
– promieniowanie g podłoża
– promieniowanie radonu i toronu i ich pochodnych w
powietrzu atmosferycznym.
• Średnie stężenie 222Rn w powietrzu na wysokości 1 m
wynosi 4,4 Bq/m3
– skutek obecności radu w podłożu,
• Moc dawki promieniowania g w Polsce
– od 17,7 do 97 nGy/h,
– wartość średnia około 45,5 nGy/h.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
72
Promieniowanie wewnątrz budynku
• Ponad 50% ogólnej efektywnej dawki promieniowania
wewnątrz budynków ma dawka pochodząca:
– z promieniowania radonu i toru oraz ich pochodnych
– promieniowanie g towarzyszące przemianom a.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
73
Promieniotwórczość podłoża
• promieniowanie z podłoża
– głównie promieniowanie g jąder promieniotwórczych
występujących w skałach podłoża
– promieniowanie radonu i toronu oraz jego stałych
pochodnych, tworzących w powietrzu aerozole.
• do oceny promieniowania podłoża podstawowe jest stężenie
radonu 222Rn w powietrzu gruntowym i wodzie podziemnej
– radon dobrze rozpuszcza się w wodzie dlatego stężenia
radonu w wodzie podziemnej i powietrzu gruntowym są
podobne
– radon łatwo migruje co powoduje, że przedostaje się on
do budynku jako składnik gazowy powietrza, gazu
ziemnego lub jako gaz rozpuszczony w wodzie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
74
Promieniotwórczość podłoża
• źródłami radonu w powietrzu wewnątrz budynków
mieszkalnych są (przy wymianie powietrza co 1 godz)
– podłoże gruntowe (77,9 %)
– materiały budowlane (12%)
– zewnętrzne powietrze atmosferyczne (9,3%)
– spalany gaz ziemny (0,6 %)
– woda (0,2 %)
• stężenie radonu wewnątrz budynków nie powinno
przekraczać 148 Bq/m3.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
75
Źródła cywilizacyjne
• cywilizacyjne źródła promieniowania jonizującego:
– wszelkie źródła promieniowania X stosowane w
medycynie i przemyśle,
– akceleratory,
– urządzenia wykorzystujące źródła promieniotwórcze,
– wybuchy jądrowe,
– reaktory jądrowe,
– zakłady wzbogacania paliwa jądrowego,
– zakłady przerobu paliwa jądrowego,
– składowiska odpadów jądrowych.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
76
Źródła cywilizacyjne
• główne składowe średniej dawki promieniowania
jonizującego całej populacji :
– diagnostyka i terapia medyczna
– dawka pochłaniana przez osoby zawodowo narażone na
promieniowanie
• personel medyczny,
• pracownicy zakładów produkcji i przerobu izotopów
promieniotwórczych, obsługa reaktorów jądrowych,
• górnicy kopalń uranu, węgla i innych,
– próby jądrowe, głównie wybuchy w atmosferze,
• w latach sześćdziesiątych ub. stulecia maksymalna
dawka na półkuli północnej wynosiła 10-20 Gy/rok;
obecnie 3-4 Gy/rok.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
77
Opad promieniotwórczy
• opad promieniotwórczy osiadający na powierzchni ziemi
tworzą jądra promieniotwórcze
– wytworzone przez promieniowanie kosmiczne
– wytwarzane w czasie wybuchów jądrowych
– uwolnione z instalacji jądrowych
• opad promieniotwórczy przenika do powierzchniowych
warstw gleby i roślin.
• w okresie maksymalnego natężenia prób z bronią jądrową
opad promieniotwórczy wynosił w Polsce około 4104
Bq/m2, a skażenie powietrza było 0,1 Bq/m3.
– w końcu lat siedemdziesiątych ub. stulecia opad zmalał
około trzydziestokrotnie.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
78
Opad promieniotwórczy
• z pierwiastków przenikających z opadu promieniotwórczego
do gleby najbardziej niebezpieczny jest stront 90Sr.
• aktywność strontu na terenie Polski (w latach 1962 – 1963)
wynosiła:
– w rejonach górskich około 108 Bq/km2
– na pozostałych terenach około 5107 Bq/km2
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
79
Źródła cywilizacyjne
Dawki pochłaniane w prześwietleniach medycznych [mGy]
rodzaj prześwietlenia
zęby
mostek, obojczyk, bark
głowa
kręgosłup piersiowy
żołądek
cholecystorgafia
kręgosłup lędźwiowy
urografia
badania narządów rozrodczych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
gonady szpik kostny
mężkobiety
czyźni
0,1
0,1
0,2
0,1
0,1
1,0
0,1
0,1
0,5
0,1
0,1
2,0
0,3
1,5
3,0
0,05
1,5
1,0
10,0
4,0
2,0
12,0
7,0
5,0
12,0
3,0
80
Źródła cywilizacyjne
Dawki pochłaniane w badaniach medycznych [mGy]
rodzaj badania
prześwietlenia
klatka piersiowa
czaszka
przewód pokarmowy
badania izotopowe
tarczyca
serce
nerki
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
dawka
0,06
0,20
2,45
5,90
7,10
3,10
81
Źródła cywilizacyjne
Udział różnych źródeł promieniowania jonizującego w dawce rocznej
promieniowanie
naturalne
86 %
powietrze (radon)
ziemia i budynki
żywność
50 %
14 %
12 %
promieniowanie
kosmiczne
10 %
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
Promieniowanie
sztuczne
medycyna
13 %
12 %
pozostałe
1%
opad radioaktywny
zawodowe
energetyka jądrowa
inne
0,4 %
0,2 %
0,1 %
0,3 %
82