CURS Detectori, Dozimetrie i RadioprotecieLect. dr. Dan Mihilescu Universitatea Al. I. Cuza Iai 2011 - 2012

CURS I

Subiectul 1Radiaii ionizante (definiie, clasificri, caracteristici generale i mecanisme de generare, mrimi caracteristice)

Definiie Radiaii = acei ageni fizici (particule) care transport energie dintr-o regiune a spaiului n alta. Radiaii: Corpusculare (particule cu mas) Fr mas de repaus (cuantele cmpului electromagnetic = fotonii).

Radiaii ionizanteDefiniie: Radiaiile ionizante = acele radiaii (electromagnetice sau corpusculare) care au suficient energie pentru a ioniza atomii (moleculele) substanei cu care interacioneaz. Prin ionizare (negativ) se nelege scoaterea a cel puin un electron din atom/molecul => o pereche electron ion (molecul ionizat). Pentru aceasta, electronul atomic trebuie s primeasc din exterior, de la radiaia incident, o energie cel puin egal cu energia de legtur a acestuia n atom/molecul = energia minim de ionizare. NU fac parte din aceast categorie: radiaiile infraroii (IR), lumina, radiaiile ultraviolete (IV), microundele.

Energia minim de ionizare, egal numeric cu primul potenial de ionizare, difer de la un atom la altul, de la o molecul la alta. Ea are valori cuprinse ntre civa eV i civa zeci de eV. Conceptul de energie minim de ionizare nu este util n dozimetrie deoarece nu ine cont de faptul c, la interaciunea radiaiilor ionizante cu substana: - sunt expulzai electroni aflai pe nivele energetice diferite => energie efectiv de ionizare. - n afar de procesele de ionizare mai au loc i procese de excitare, de disociere molecular i de generare a radiaiilor de frnare. Acestea sunt motivele pentru care, n dozimetria radiaiilor ionizante se utilizeaz o energie medie de ionizare (calculat ca raportul dintre energia cinetic iniial a particulei ncrcate i numrul mediu de perechi electron ion formate cnd aceast energia este complet disipat n T0 substan): W = (eV/pereche e ion )N per

Fig. 1.1

Fig. 1.2

Fig. 1.1: ionizare = trecerea a cel puin un electron pe un nivel de energie mai mare dect cel al strii excitate. Fig. 1.2: Ilustrare grafic a proceselor de excitare i ionizare produse de o particul ncrcat de-a lungul parcursului su n substan.W aer = 33,97 eV/pereche electron - ion

W apa = 29,6 eV/pereche electron - ion

Un electron cu energia de 1 MeV poate produce, n medie aproximativ 29400 perechi de ioni n aer i aproximativ 33800 perechi de ioni n ap.

Clasificarea radiaiilor ionizante A) n funcie de masa lor de repaus 1) Radiaii corpusculare (cu mas de repaus diferit de zero), electroni (e-), pozitroni (e+), protoni (p), neutroni (n), deuteroni (d), tritoni (t), particule alfa (), ioni grei, mezoni , alte particule elementare. 2) Radiaii electromagnetice (constituite din fotoni, cu masa de repaus nul, fr sarcin electric, care se propag n vid cu viteza luminii c), radiaii X, radiaii gama () B) n funcie de sarcina electric 1) Radiaii ncrcate electric electroni (e-), pozitroni (e+), protoni (p), deuteroni (d), tritoni (t), particule alfa (), ioni grei, mezoni -, +, alte particule elementare cu sarcin electric. 2) Radiaii neutre din punct de vedere electric (fr sarcin electric) radiaii X, radiaii gama (), neutroni (n), mezoni 0, alte particule elementare neutre.

C) ICRU International Commision on Radiation Units and Measurements (vezi www.icru.org) a recomandat n 1971 utilizarea unei terminologii specifice, care s in seama de modul diferit de interaciune a radiaiilor ncrcate electric fa de cele neutre din punct de vedere electric. Astfel, toate particulele ncrcate sunt denumite radiaii direct ionizante toate particulele neutre sunt denumite radiaii indirect ionizante. Radiaiile direct ionizante, fiind ncrcate electric, interacioneaz coulombian cu electronii atomici i produc direct ionizarea (i excitarea) acestora; - Radiaiile indirect ionizante, fiind neutre din punct de vedere electric, nu simt prezena cmpului coulombian al electronilor (i, evident, nici al nucleului). Exist alte procese de interaciune, specifice, n urma crora rezult particule ncrcate secundare. Aceste particule ncrcate secundare produc ionizarea atomilor/moleculelor substanei.

Tabelul 1: Caracteristici generale ale radiaiilor ionizante

O caracteristic important a radiaiilor ionizante o reprezint energia acestora. hc n cazul fotonilor, energia este E = h = -34 unde h = 6,6262 x 10 J x s = constanta lui Plank c = 3 x 108 m/s = viteza luminii n vid = frecvena undei e.m. = lungimea de und n cazul radiaiilor corpusculare, energia este E = mc 2 + T n care mc2 = energia de repaus a particulei T = energia cinetic a particulei Un fascicul de radiaii ionizante este descris minimal prin: (b) Tipul radiaiilor din componena sa (c) Energia radiaiilor Dac toate radiaiile din fascicul au aceeai energie, fasciculul este monoenergetic (monocromatic). n caz contrar, spunem c radiaiile din fascicul prezint un spectru energetic (dN/dE).

Mecanisme de generareRadiaiile X (denumite i radiaii Roentgen) - radiaii electromagnetice cu lungimea de und >10 nm =>124 eV. Sunt de dou tipuri: radiaii de frnare (sau Bremsstrahlung) radiaii caracteristice.

Mec. de generare sunt diferite pentru cele dou tipuri de rad. X Radiaiile de frnare: sunt generate de frnarea brusc a particulelor ncrcate de mare energie n cmpul coulombian al nucleelor atomice. Probabilitatea acestui proces este direct proporional cu energia cinetic a particulei i cu numrul atomic Z al materialului int i invers proporional cu masa particulei. Rezult c intensitatea radiaiilor de frnare va fi mare pentru particule ncrcate uoare, n materiale cu Z mare.

Fig. 1.4: Diagram schematic a diferitelor moduri de interaciune a electronilor cu inta.

Fig. 1.5

Fig. 1.6

Fig. 1.7

Mecanismul de generare al radiaiilor X caracteristice Electronii orbitali din jurul nucleului sunt grupai pe nivele de energie, la rndul lor grupate n pturi energetice denumite convenional K, L, M, N, etc., n ordine cresctoare a energiei electronilor. Astfel, electronii cu cea mai mic energie (dar cu energia de legtur cea mai mare) sunt cei din ptura K. Radiaia X caracteristic se obine atunci cnd electronul cu energie mare, incident pe o int, scoate din atom, prin interaciune coulombian (ciocnire) un electron dintr-una din pturile mai apropiate de nucleu. Locul rmas liber, este imediat ocupat de un electron de pe o ptur superioar, elibernd surplusul de energie sub forma unui foton cu energie bine determinat. Rmne un alt loc vacant care este ocupat de un alt electron de pe ptura imediat superioar, procesul continund n cascad pn la restabilirea echilibrului energetic.

Radiaii X caracteristice (unui anumit radionuclid) se obin i prin alte procese (nucleare) cum ar fi captura electronic i conversie intern. Mecanismul de generare al radiaiilor gama Radiaiile sunt radiaii electromagnetice emise prin dezexcitarea nucleelor atomice sau n procesele de anihilare particul antiparticul. n cazul radiaiilor gama emise de nucleele atomice, mecanismul de emisie este asemntor cu binecunoscutul proces de emisie al luminii de ctre atomii excitai, numai c, n cazul radiaiilor gama, sunt implicai nucleonii din nucleu i nu electronii atomici. Astfel, emisia gama (numit deseori impropriu i dezintegrare gama) este explicat n cadrul modelului n pturi al nucleului n modul urmtor: - nucleonii (protoni i neutroni) sunt dispui pe nivele de energie, analog cu electronii din modelul atomic; emisia gama are loc ca urmare a revenirii unui (unor) nucleon(i) pe nivele de energie mai joas (sau chiar n starea fundamental).

- Aadar, pentru a concluziona, radiaiile gama sunt constituite din fotoni de mare energie (de la 10 keV la 7,1 MeV, depinznd de natura radionuclidului care se dezintegreaz i de starea lui de excitare). Spectrul radiaiilor gama este un spectru de linii, caracteristic nuclidului care se dezintegreaz. - Pentru comparaie lumina vizibil este compus din fotoni cu energii n domeniul 1,77 3,1 eV (cu ase ordine de mrime mai mici !). Radiaii gama se obin i n procesele de anihilare particul antiparticul. n dozimetrie i domeniile conexe, important este anihilarea electron pozitron:e + e+ 1 + 2

Anihilarea este de 1000 de ori mai probabil pentru pozitronul n repaus, caz n care rezult doi fotoni gama cu energii de 0,511 MeV (energia de repaus a electronului, egal cu cea a pozitronului).

Fig. 1.8: Schema de dezintegrare a Co-60. Fig. 1.9: Spectrul de amplitudini a Co-60 nregistrat cu un analizor de

nlime a impulsurilor (monocanal sau multicanal). Se observ cele dou fotopicuri corespunztoare celor doi fotoni emii la fiecare dezintegrare

Fig. 1.8

Fig. 1.9

Mecanismul de generare al electronilor Electronii sunt expulzai din atom n urma proceselor de ionizare. Ionizarea nu este ns singurul proces prin care pot fi obinui electroni. Ei pot fi emii i de unele nuclee, instabile, prin dezintegrare -. Se tie c nucleul nu conine electroni. Atunci cum se explic emisia electronilor din nucleu? Rspunsul este dat de reacia de mai jos,n p + e + e

care poate avea loc att n nucleu, ct i pentru neutronii liberi (neutronii sunt particule elementare instabile, cu timpul de njumtire de aproximativ 12 minute). Cu alte cuvinte, atunci cnd un neutron din componena nucleului se transform n proton, este emis un electron i un antineutrino electronic.

Spectrul radiaiilor - este continuu (Fig. 1.10), fiind, ca i n cazul spectrelor gama, o caracteristic a radionuclidului. Un spectru este max caracterizat printr-o limit maxim ( E = energia maxim a electronilor emii), energia medie a radiaiilor fiind E 1 E max 3 Limitele maxime ale spectrelor beta au valori cuprinse ntre 20 keV i civa MeV (cu excepia ctorva radionuclizi care emit electroni cu energii de pn la 13 MeV). Electronii pot fi emii din atom i prin conversie intern.

Fig. 1.10

Surse de electroni cu energii mari (zeci de MeV), utilizate n radioterapie, sunt i acceleratorii de particule [acceleratorul liniar (vezi Fig. de mai jos) i betatronul]. Acceleratorii sunt instalaii care, utiliznd cmpuri electrice sau o combinaie de cmpuri electrice i magnetice, permit accelerarea (numai a) particulelor ncrcate electric pn la energii foarte mari (de sute de GeV). Acceleratorii pentru radioterapie sunt dotai de obicei cu inte dintr-un material cu Z mare pentru obinerea fasciculelor de radiaii X.

Fig. 1.12 Acc. IORT Novac7 Italia

Fig. 1.11: Accelerator liniar de electroni (Varian-Canada)

Mecanismul de generare al pozitronilor Pozitronul este antiparticula electronului. Pozitronii rezult din: (1) dezintegrarea + a unor nuclizi radioactivi (2) generarea de perechi electron pozitron. Dezintegrarea + se explic prin transformarea unui proton n neutron, p n + e+ + e (1) proces care are loc numai n interiorul nucleului. Procesul de generare de perechi electron pozitron, e + e+ (2)nu poate avea loc n vid (nu s-ar respecta legea de conservare a impulsului) ci numai n cmpul coulombian al nucleului sau chiar al electronilor atomici. De asemenea, procesul nu are loc dect dac energia fotonului depete o anumit energie de prag. Energiile de prag sunt 1,022 MeV cnd procesul are loc n vecintatea nucleului i 2,044 MeV cnd se produce n cmpul coulombian al unui electron atomic. Pozitronii nu pot exista dect n micare (lucru valabil pentru orice antiparticul). Odat ajuni n repaus, ei se anihileaz cu primul electron ntlnit n cale

Mecanismul de generare al neutronilor Alturi de protoni, neutronii sunt constituenii nucleului. Neutronii sunt obinui n reacii nucleare de tipul (p,n), (d,n), (,n), (,n) sau n reacii de fisiune nuclear. O surs important de neutroni o constituie deci reactorul nuclear de fisiune. Neutronii au fost descoperii de ctre Chadwick (1932) n reacia nuclear 4 9 1 122

+ 4 Be 0 n + 6 Be

Mecanismul de generare al protonilor Fascicule de protoni pot fi obinute prin ionizarea atomilor de hidrogen sau din reacii nucleare de tip (particul, proton). Pentru obinerea unor fascicule de protoni de mare energie, se utilizeaz acceleratorii de particule. Deuteronii sunt nucleele atomilor de deuteriu (unul din izotopii stabili ai hidrogenului); Deuteronii sunt obinui n reacii nucleare i pot fi accelerai pn la energii foarte mari n acceleratorii de particule.

Radiaiile - sunt formate din particule alfa (nuclee de heliu, sau helioni). - Sunt obinute n reacii nucleare sau sunt emise de nucleele alfa radioactive,A Z

X A 42Y + 4 Z 2

cu energii de ordinul MeVilor. Spectrul radiaiilor alfa este discret i prezint deseori o structur fin. Pentru a obine energii mai mari trebuie utilizai acceleratorii de particule (ciclotroane).

Fig. 1.13: Schema de dezintegrare a Am-241

Mrimi caracteristice radiaiilor ionizanten afar de caracteristicile fundamentale ale radiaiilor, evideniate anterior (vezi Tabelul 1), radiaiile ionizante mai pot fi caracterizate printr-o serie de mrimi fizice grupate n dou clase: mrimi fizice cantitative i calitative Mrimile cantitative sunt la rndul lor de dou tipuri: (1) Mrimi bazate pe numrul de particule (N): - fluxul de particule ( N), - fluena particulelor () - debitul fluenei particulelor (= densitatea de flux) ( ). (2) Mrimi bazate pe energia particulelor: - energia radiant total a particulelor (R), - fluxul de energie ( R ), - fluena energetic () - debitul fluenei energetice (= densitatea de flux energetic) (). Definiiile tuturor acestor mrimi fizice vor fi date, n cadrul modelului cmpului de radiaii i n conformitate cu recomandrile ICRU, n Cursul II.

Calitatea radiaiilor este legat de energia fiecrei particule n parte. Radiaiile pot fi monoenergetice sau pot avea un spectru energetic. Calitatea radiaiilor direct ionizante (ncrcate electric) este deseori exprimat prin intermediul parcursului lor n substan, mrime care exprim penetrabilitatea acestor radiaii n substan. Pentru radiaiile indirect ionizante nu se poate defini un parcurs, deoarece atenuare este exponenial. n loc de parcurs se utilizeaz alte mrimi fizice: drumul liber mediu (DLM) sau grosime de semiatenuare (GSA). Mai exist i alte mijloace de specificare aproximativ a calitii unei radiaii direct sau indirect ionizante. Spre exemplu, n radiobiologie se utilizeaz valoarea transferului liniar de energie (TLE).

Tabelul 2: penetrabilitatea unor radiaii ionizante relativ la dou materiale de interes dozimetric (aer i ap); aerul este materialul pentru care se definete expunerea; apa constituie principala component a esuturilor.

Subiectul 2: Surse de radiaii ionizanteCLASIFICRIA. Clasificarea dup provenien Surse de radiaii: (I) naturale: - radiaia cosmic (N +I), - nuclizi radioactivi naturali (N), (II) artificiale: - nuclizi radioactivi artificiali (N), - reacii nucleare (N), - instalaii generatoare de radiaii (I +N): instalaii Roentgen (I), acceleratori de particule (I), reactori nucleari (N). N = procese nucleare I = procese de interaciune: a radiaiilor cu substana sau a radiaiilor cu cmpuri electromagnetice externe

B. Clasificarea dup tipul radiaiei emise: (1) Surse de radiaii X: Tuburi Roentgen, Radiaia de frnare, Conversia intern, Captura electronic. (2) Surse de radiaii gama: Nuclizi radioactivi (naturali i artificiali), Radiaia cosmic, Reacii nucleare. (3) Surse de radiaii alfa: Nuclizi radioactivi, Acceleratori de particule, Reacii nucleare, Radiaia cosmic.

(4) Surse de electroni (pozitroni): Nuclizi radioactivi, Acceleratori de particule, Radiaia cosmic, Procese de generare . (5) Surse de protoni: Acceleratori de particule, Reacii nucleare, Radiaia cosmic. (6) Surse de ioni grei: Acceleratori de particule, Radiaia cosmic, Reacii nucleare. (7) Surse de particule elementare: Acceleratori de particule, Radiaia cosmic.

Fig. 1.14

Fig. 1.15

Fig. 1.14: Fotografia unor surse de Co-60 utilizate n radioterapie. Fig. 1.15: Instalaie de iradiere cu Co-60.

Mrimi caracteristice surselor radioactiveSursele radioactive conin unul sau mai muli radionuclizi i pot emite radiaii alfa, beta sau gama. Legea dezintegrrii radioactive este una exponenial:N ( t ) = N 0 exp( t )

n care: N0 = numrul de nuclee radioactive din surs la momentul iniial (t = 0); N(t) = numrul de nuclee radioactive rmase n surs la momentul t; = constanta de dezintegrare ( probabilitatea de dezintegrare a unui nucleu n unitatea de timp) (1) Activitatea () O surs radioactiv este caracterizat n primul rnd prin activitatea sa dN [ ] SI = s 1 = 1Bq (becquerel). dt adic numrul de dezintegrri n unitatea de timp.

(2) Timpul de njumtire, T1/2 intervalul de timp dup care activitatea sursei radioactive scade la jumtate: N0 N (T1 / 2 ) = = N 0 exp( T1 / 2 ) 2 de unde rezult:

T1 / 2 =

ln 2 0,693 =

[T1 / 2 ] SI = 1s

Fig. 1.15: Ilustrare grafic a legii dezintegrrii radioactive.

Activitate volumic (v) , activitate superficial (s) i activitate masic (m) Deseori n activitatea practic, pentru surse radioactive distribuite ntrun anumit volum, pe o anumit suprafa sau avnd o anumit mas, se folosesc i mrimile: (1) activitatea volumic, adic activitatea unitii de volum a sursei, dv = dV

( Bq m )3

(2) activitate superficial, activitatea pe unitatea de suprafa a d sursei, ( Bq m 2 ) s =dS

(3) activitate masic, activitatea pe d unitatea de mas a sursei,m = dm

( Bq kg )1

Dac nucleele radioactive sunt distribuite omogen n surs, atunci: v = , s = , m = . V S m

n care V volumul sursei, S suprafaa sursei, m masa sursei.