TEMA 13 NOIUNI DESPRE UNITI DE MSUR I LIMITE DE EXPUNERE N CAZUL CONTAMINRII CU SUBSTANE TOXICE, SUBSTANE PERICULOASE , MIJLOACE BIOLOGICE I CU SUBSTANE RADIOACTIVE

A.

MRIMI I UNITI PENTRU RADIAII

Msurarea efectelor biologice ale radiaiilor nucleare sau, cu alte cuvinte, exprimarea acestor efecte prin valori numerice ntr - un sistem corespunztor de mrimi i uniti este necesar, att pentru studiul efectelor biologice ale diferitelor radiaii, ct i pentru stabilirea naturii mijloacelor de protecie, individual sau colectiv. Alegerea mrimilor pentru msurarea radiaiilor nucleare nu a fost de loc simpl, deoarece mecanismele de interaciune ale acestora cu materia sunt deosebit de complicate. Mrimile care se ntrebuineaz n msurarea radiaiilor se pot mpri n trei grupe: - pentru surse radioactive; - pentru fascicule de radiaii ( ansamblu de microparticule electroni, protoni, radiaii , , , n micare i orientat sub form concentrat pe o anumit direcie); - pentru efectul radiaiilor asupra materiei. A. 1. MRIMI I UNITI PENTRU SUBSTANE RADIOACTIVE Activitatea (viteza de dezintegrare) este mrimea principal care caracterizeaz o substan radioactiv i se noteaz cu litera greceasc . Activitatea se definete ca numrul de nuclee (N) care se dezintegreaz n unitatea de timp i se exprim prin relaia: dN = -- ------ ; semnul minus s-a introdus n relaie dt pentru a arta c numrul de nuclee (N) innd cont de faptul c pentru un izotop considerat, probabilitatea de dezintegrare a unui nucleu n unitatea de timp este constant, relaia se poate scrie: n aceast relaie este aa-numita dt constant de dezintegrare, o mrime care caracterizeaz fiecare izotop i se exprim n uniti inverse de timp, ceea ce determin ca i activitatea unei substane radioactive s scad n timp, dup relaia exponenial: = 0 e t ; unde 0 este activitatea iniial, iar este dN = -- ------ = N ;

1

activitatea dup trecerea unui timp (t). Pentru msurarea activitii surselor radioactive se folosete, aa cum rezult i din definiie, dezintegrarea pe secund sau uniti mai mari, astfel: Curie (c) este o unitate de activitate care corespunde la 3,70 x1010 dezintegrri pe secund.

n practic, pentru activiti mai mari ale surselor radioactive, se folosete un multiplu al Curie ului numit kilocurie ( kc ), care corespunde la valoarea de 3,70 x 13 10 dezintegrri pe secund. De asemenea, pentru activiti mai mici ale surselor radioactive se folosesc submultiplii Curie ului: - milicurie ul (mc), avnd o valoare de 3,70 x 107 dezintegrri pe secund; - microcurie ul (c), avnd o valoare de 3,70 x 104 dezintegrri pe secund. Rutherford (Rd) este o alt unitate folosit pentru msurarea activitii substanelor radioactive, acesta avnd valoarea de 10 6 dezintegrri radioactive pe secund sau 1/37 x 10 -3 c. Pentru activiti mai mari se vor folosi multiplii: - kilorutherford ul ( kRd = 103 rutherford sau 109 dezintegrri pe secund); - megarutherford ul ( MRd = 106 rutherford sau 1012 dezintegrri pe sec.); iar pentru activiti mai mici submultipli : - milirutherford ul (mRd = 10 -3 rutherford sau 103 dezintegrri pe secund) - mocroruttherford -ul ( MRd = 10 -6 rutherford sau 1 dezintegrare pe sec.). Eman (em) este o unitate de msur legat de activitatea nucleului de radiu i are o valoare de 3,7 dezintegrri pe secund. Deci: 1 em = 3,7 dezintegrri / s = 10 -10 c sau cu 3,7 x 10 6 Rd. n sistemul de mrimi i uniti pentru substane radioactive se folosesc i noiuni cum ar fi : Activitatea specific, definit de raportul dintre activitatea unei substane radioactive i masa ei: 0 = / m i se exprim n uniti de activitate pe gram sau dezintegrri pe secund i gram. Activitatea relativ, definit de numrul de pulsuri pe care l indic un aparat sub influena unei surse radioactive. Pentru exprimarea activitii relative se folosesc aceleai uniti ca i pentru activitatea propriu zis.

A. 2.

MRIMI I UNITI PENTRU FASCICULE DE RADIAII

2

Att pe cmpul de lupt, ct i n laboratoarele n care se lucreaz cu surse radioactive, personalul va fi supus aciunii unor fluxuri de radiaii provenite de la explozia muniiilor active, precum i de la diverse surse radioactive. Aceste considerente impun definirea unor mrimi care caracterizeaz fasciculele de particule, dintre care cele mai folosite sunt urmtoarele: Fluxul de particule ( D ), reprezentnd raportul dintre numrul de particule(N) ce traverseaz o suprafa oarecare orientat perpendicular pe direcia de propagare a fluxului i timpul (t) n care particulele traverseaz suprafaa respectiv : D=N/t ; i se exprim n particule pe secund. Intensitatea de particule ( J ), definit prin raportul dintre fluxul de particule i suprafaa strbtut : J=D/A=N/Axt; i se exprim n numr de particule pe centimetru ptrat i secund.

Fluxul de energie ( P), definit de produsul dintre fluxul de particule i energia particulelor : P = D x Wp = (N / t) Wp = W / t ; i se exprim n uniti de energie raportate la timp, de regul n ergi pe secund. Intensitatea de radiaie ( I ), definit ca raportul dintre cantitatea de energie ce se scurge n unitatea de timp i suprafaa strbtut : I = J x Wp = (N x Wp) / (A x t) = W / (A x t) ; i se exprim n uniti de energie raportate la unitatea de suprafa i timp, de regul n ergi pe centimetru ptrat i secund.

A. 3.

MRIMI I UNITI PENTRU EFECTELE BIOLOGICE ALE RADIAIILOR

Deoarece efectele biologice ale radiaiilor nucleare sunt deosebit de complexe, depinznd de un numr foarte mare de factori (natura i energia radiaiilor, natura chimic i fizic a esuturilor etc.) stabilitatea unui sistem de mrimi care s caracterizeze aceste efecte este foarte anevoioas. Din aceste considerente de o importan deosebit, n cadrul preocuprilor pentru realizarea msurilor de protecie adecvate, sunt metodele i mijloacele de msurare a efectelor biologice ale radiaiilor nucleare. Pentru msurarea efectelor biologice, literatura de specialitate citeaz dou sisteme de baz: - sistemul roentgenologic, bazat pe ionizarea produs de radiaii n aer i folosit pentru msurarea efectelor biologice produse de radiaiile roentgen i gamma, avnd energii de pn la 3 MeV i;

3

- sistemul radiobiologic, la baza cruia st absorbia energiei de ctre organe sau esuturi i care ia n considerare efectivitatea biologic relativ a fiecrui tip de radiaii nucleare. Legat de cele dou sisteme de msurare a efectelor biologice au aprut mrimile i unitile de msur corespunztoare. n sistemul roentgenologic mrimea de baz este doza de ioni, iar unitatea de msur a acestei mrimi este roentgenul (R). Aceste dou mrimi se definesc astfel : Doza de ioni ( De ) sau doza de radiaie este definit prin numrul de perechi de ioni formai ntrun centimetru cub sau gram de aer (n condiii normale de presiune i temperatur) de ctre emisia unei radiaii X sau gamma pe tot timpul de aciune a radiaiilor. O alt definire acceptat, a dozei de ioni (De ) este raportul dintre sarcina electric total (Q) a ionilor de un anumit semn (pozitivi sau negativi) produi direct sau indirect ntr un volum (V) de aer i masa (m) a acestuia i se poate scrie astfel: De = Q / m Roentgenul este acea doz de radiaie X sau gamma care d natere ntr un centimetru cub de aer uscat (n condiii normale de presiune i temperatur ) la ioni de acelai semn cu o ncrctur electric total egal cu o unitate electrostatic de cantitate de electricitate (sau 2,08 .109 perechi de ioni). O alt definire acceptat, a roentgenului este doza de radiaie Roentgen sau gamma a crei emisie corpuscular produce prin efect fotoelectric, efect Compton i formare de perechi, n 1,293 x10-6 kg de aer, ioni a cror sarcin electric este de 3,3 x 10-10 c, de fiecare semn (pozitiv i negativ). Din cele artate rezult c numrul de ioni trebuie raportat la unitatea de volum a mediului i ca urmare se obine o mrime proporional cu densitatea de volum a energiei. Dac avem n vedere c energia necesar formrii unei perechi de ioni este de aproximativ 32,5 eV i c 1 MeV = 1,6 x 10-12 ergi, putem exprima valoarea energetic a unui roentgen astfel: 1,61 x 1012 x 32,5 eV x 1,6 x 10-12 ergi. Deci un roentgen = 83,8 ergi. Raportnd doza de ioni (De ), la timpul de iradiere (t) se obine doza debit de radiaii (Pe ) sau cum mai este cunoscut : nivel de radiaie sau puterea dozei : Pe = De / t Doza debit de radiaii poate fi exprimat n roentgeni sau miliroentgeni pe unitatea de timp aleas (R / s; R / min; R / h; mR /min; mR /h). Energia cheltuit pentru formarea unei perechi de ioni n aer este egal cu 34 eV. innd seama c n cazul dozei de un roentgen se formeaz 2,08 miliarde perechi de ioni i c greutatea specific a aerului n condiii normale este egal cu 0,001293 g /cm3 energia absorbit de un gram de aer n cazul iradierii cu doza de un roentgne este 5,4107 MeV sau 88 ergi (1MeV=1,610 6ergi). Sistemul roentgenologic prezint unele deficiene, n sensul c folosete ca mediu absorbant aerul care are caracteristici destul de deosebite fa de esutul organic. Pentru a se elimina acest neajuns unii autori recomand o nou unitate de msur

4

Rep ul, care reprezint valoarea energetic a unui roentgen absorbit de unitatea de mas. Cu alte cuvinte : 1 rep = 83,3 ergi / gram. Cu toate c aceast unitate corespunde n mai mare msur n aprecierea efectelor biologice ale radiaiilor nucleare, totui literatura de specialitate o citeaz tot mai puin. Sistemul radiobiologic se refer la efectele biologice ale oricrui fel de radiaie (X, alfa, beta, gamma, neutroni etc.) asupra esutului iradiat, innd seama de energia absorbit prin iradiere (doza absorbit). Sistemul radiobiologic la baza cruia st absorbia energiei de ctre organe sau esuturi, ia n considerare efectivitatea biologic relativ a fiecrui tip de radiaii nucleare. Acest sistem prezint avantajul, fa de cel roentgenologic, prin aceea c ia n considerare toate radiaiile nucleare ; att cele electromagnetice cu energii mai mari de 3 MeV, ct i pe cele corpusculare, realizndu se astfel un sistem unitar de msur a efectelor biologice ale radiaiilor nucleare asupra organismului uman. Referitor la efectele biologice asupra organismului uman s-a artat c orice radiaie nuclear, electromagnetic sau corpuscular, produce acelai tip de efect biologic. Cu toate acestea, din experimentele efectuate pe animale s-a constatat c unele radiaii sunt mai efective dect altele i , ca urmare, s-a introdus noiunea de efectivitate biologic. Efectivitatea biologic depinde de natura radiaiei i de organul iradiat. Practic, s-a constatat c particulele cu putere de ionizare mare (protoni, particule alfa) produc efecte biologice mai puternice dect cele realizate de ctre electroni, chiar dac acetia au rnergii echivalente. Deci exist particule cu efectivitate biologic mai mare sau mai mic. Pentru ca n msurarea efectelor biologice s se aib n vedere i aceast caracteristic a radiaiilor nucleare, s-a introdus noiunea de efectivitate biologic relativ (). Efectivitatea biologic relativ se definete prin raportul dintre energia absorbit la o iradiere cu radiaii normale, considerate standard i energia absorbit la iradierea unui esut cu o anumit radiaie, dar care produce efecte biologice similare, cantitativ i calitativ. Dei aparent determinarea acestei noiuni pare simpl, n realitate este destul de dificil de determinat, deoarece intervin o serie de factori legai de : felul i gradul efectului biologic, starea fizic i natura esutului organismului studiat, distribuia dozei de radiaie n timp, dac iradierea este repetat sau nu, durata de iradiere i doza primit etc. n urma datelor experimentale pe animale s-au stabilit urmtoarele valori pentru efectivitatea biologic relativ, lundu se drept baz radiiile gamma i electronii. n prezent sunt n vigoare urmtoarele valori pentru efectivitatea biologic relativ : - radiaia gamma i electroni = 1 - neutroni termici =5 - neutroni rapizi =10 - protoni =10 - helioni (radiaii alfa) = 20 Din studiul efectivitii, reine atenia faptul c, efectele biologice ale radiaiilor nucleare asupra organismului uman sunt determinate de cantitatea de energie absorbit de esut i nu de energia care l-a traversat pe acesta. n cadrul sistemului radiobiologic ntlnim urmtoarele uniti de msur :

5

Doza absorbit (Da ) definit prin raportul dintre energia (W) transferat materialului ntr un anumit punct de ctre radiaii i masa (m) a materialului iradiat : Da = W / m Unitatea de msur a dozei absorbite este rad-ul (rontgen absorbed dose). Rad ul este unitatea dozei absorbite (doza care reprezint raportul dintre energia transferat prin iradiere i masa esutului). Un rad reprezint transferarea unei energii de 100 ergi unui gram de esut n urma iradierii (un rad egal cu 100 ergi /g esut). 1 rad = 10-2 j /kg = 100 erg /g DOZA BIOLOGIC (B) este mrimea fundamental n sistemul radiobiologic i se definete prin produsul dintre doza absorbit (Da) i efectivitatea biologic relativ () a naturii radiaiei considerate, deci : B = Da Unitatea de msur a dozei biologice este rem ul ( rontgen equivalent man ) i se definete ca acea doz biologic primit de un esut iradiat cu un flux de radiaii care cedeaz unui kilogram din esutul respectat o energie de 10-2 J, deci : 1 rem = 10-2 j/kg = ( 1 / ) rad = 100 erg / g Rem ul este unitatea dozei biologice care produce n esutul iradiat acelai efect biologic ca doza absorbit de un rad de radiaie standard (doza care leag doza absorbit de efectivitatea biologic relativ a diferitelor radiaii) exprimndu se astfel: 1rem = 1rad / =100 erg / g ; unde este efectivitatea biologic relativ. Efectivitatea biologic relativ () este raportul ntre energia absorbit de esut la iradiere cu radiaia standard i energia absorbit de esut la iradierea cu acea radiaie care produce acelai efect biologic calitativ i cantitativ n esutul normal, n aceleai condiii de stare iniial. Ca radiaie standard s-a adoptat radiaia X de 200 kV. Rem ul este deci doza care posed aceeai efectivitatea biologic ca i un roentgen de radiaii X sau gamma. Pentru radiaiile electromagnetice pentru care efectivitatea biologic este egal cu unu, rem ul este echivalent cu roentgenul. Aa cum n sistemul roengenologic am ntlnit termenul de doz debit de radiaii (Pe ) i n cadrul sistemului radiobiologic exist doza biologic debit (b) definit prin raportul dintre doza biologic (B) i timpul de iradiere (t) : b=B/t

6

Doza biologic debit se exprim n : rem /s ; rem /min ; rem /h ; sau mrem /s ; mrem /min ; mrem /h . De asemenea, doza biologic debit se mai exprim n : rem /zi ; rem /sptmn ; rem /lun ; rem /an ; sau mrem / zi ; mrem /sptmn ; mrem /lun ; mrem /an.

B. SISTEM INTERNAIONAL ( S. I.) DE UNITI DE MSUR n prezent, n domeniul dozimetriei s-a stabilit un sistem internaional ( S. I.) de uniti de msur. Dup acest sistem noile uniti sunt : - pentru doz (expunere) : Coulomb pe kilogram (C /kg); - pentru doza absorbit : Joule pe kilogram (J /kg); - pentru echivalentul de doz : Joule pe kilogram (J /kg); - pentru activitate : Inversul secundei (S--1). n tabelul urmtor, se prezint, sintetic, mrimile i unitile de msur n radiometrie i dozimetrie, dup sistemul vechi i S.I.. Sistem vechi Mrime Nume Curie Roentge n Roentge n pe secund Rad Rad pe secund Rem Simbo l Ci R R /s RAD Rad /s REM U/M Inversul secundei Coulomb / kg Amper pe kg Joule pe kg Wat pe kg Joule pe kg Sistem internaional Simbol s -- 1 C kg --1 A Kg 1 = C kg 1 s--1

Nume BECQUE REL ________ ___ ________ ___

Relaii de Simbo transformare l Nume Bq _____ _____ 1Bq = 27,0310-12

ACTIVITATE EXPUNERE (radiaii X i ) DEBITUL EXPUNERII DOZA ABSORBIT DEBITUL DOZEI ABSORBITE ECHIVALENT UL

1 C / kg = 3876 R 1 A / Kg = = 3876 R/s 1 Gy = 100 RAD 1 Gy /s = = 100 RAD /s 1 Sv = 100 REM

J Kg --1 W kg 1 = J kg 1 s--1

GRAY

Gy

GRAY pe Gy s secund --1 SILVER T Sv

J kg --1

7

DOZEI

Ora este unitatea de timp pentru debitul dozei absorbite. Activitatea unei surse radioactive va fi exprimat n bequerel (Bq). Un Bq corespunde unei dezintegrri pe secund. Conversia unitii de msur: - 1Curie (Ci) = 3,7x1010 Bq.

UNITI DE MSUR PENTRU DEBITUL DOZEI ABSORBITE: Unitate de msur: gray pe or (Gy /h); Submultipli: - centigray pe or (cGy /h); - miligray pe or (mGy /h); - microgray pe or ( Gy /h). Conversia din uniti de msur tolerate: - 1 rad /h = 0,01Gy /h = 1 cGy /h; - 1mrad /h = 0,00001Gy /h = 0,001cGy /h = 0,01mGy /h = 10 Gy /h.

UNITI DE MSUR PENTRU DOZA ABSORBIT: Unitate de msur: gray (Gy); Submultipli: - centigray (cGy); - miligray (mGy); - microgray ( Gy). Conversia din uniti de msur tolerate: - 1 rad = 0,01 Gy = 1 cGy; - 1 mrad = 0,00001 Gy = 0,001 cGy = 0,01 mGy = 10 Gy.

UNITI DE MSUR PENTRU DOZA ECHIVALENT (DOZA INTERN): Unitate de msur: sievert (Sv).

8

Submultipli: - centisievert (cSv); - milisievert (mSv); - microsievert ( Sv); - 1 mSv = 0,1 cSv = 0,001 Sv = 1000 Sv. Conversia din uniti de msur tolerate: - 1 rem = 0,01 Sv = 1 cSv; - 1 mrem = 0,00001 Sv = 0,001 cSv = 0,01 mSv. n condiiile actuale se apreciaz c riscul expunerii la debite mici ale dozelor absorbite (DMDA) pe timpul aciunilor militare a crescut considerabil: (1) sievertul este acceptat ca unitatea de msur cea mai adecvat pentru stabilirea efectelor biologice asupra personalului, ca urmare a dozelor absorbite exprimate n gray; (2) considerentele legate de sntatea personalului (diagnostic, tratament medical, supravegherea pacienilor, evaluarea efectelor pe termen lung etc.) precum i necesitatea consilierii comandanilor n legtur cu nivelurile operaionale i /sau legale de expunere, impun luarea n considerare a dozei interne i exprimarea dozei absorbite prin unitatea de msur a dozei echivalente (cSv); (3) pentru niveluri mari ale radiaiei gamma (de exemplu, ca urmare a unei explozii nucleare), unitatea de msur cea mai indicat pentru evaluarea efectelor imediate asupra capabilitii operaionale a unei uniti este centigray (cGy); pentru acest tip de expunere, se va considera c: 1 cGy = 1 cSv. Valorile debitului dozei absorbite i dozei absorbite mai mici de 1 cGy /h, respectiv 1 cGy, vor fi exprimate ca fracii zecimale ale unui centigray. Pentru tranziia la sistemul internaional, debitul dozei absorbite, doza absorbit, doza echivalent i activitatea sursei vor fi exprimate n unitile de msur, urmate (opional) de echivalentul unitilor de msur tolerate, nscris n parantez. NOT (a) raportarea rezultatelor msurtorilor, se va face n : cGy /h, cGy i cSv ; (b) pentru transformarea msurtorilor efectuate n R /h i R, se vor folosi urmtoarele corespondente ale unitilor de msur tolerate: - 1 R = 1 rad; - 1 rad = 1 rem. (c) n cazul determinrilor cu aparate din generaii /ani de fabricaie diferite /i i /sau care lucreaz cu uniti de msur diferite, se vor lua n considerare indicaiile aparaturii de ultim generaie /cu precizia cea mai ridicat.

9