dozimetrie curs i

8/12/2019 dozimetrie CURS I

1/32

CURS

Detectori, Dozimetrie i Radioprotecie

Lect. dr. Dan MihilescuUniversitatea Al. I. Cuza Iai

2012 - 2013


2/32

CURS I


3/32

Subiectul 1Radiaii ionizante (definiie, clasificri, caracteristici generale i

mecanisme de generare, mrimi caracteristice)

Definiie

Radiaii= acei agenifizici(particule) care transportenergiedintr-o regiune a spaiuluin alta.

Radiaii:

Corpusculare (particule cu mas) Fr mas de repaus (cuantele cmpului

electromagnetic = fotonii).


4/32

Radiaii ionizanteDefiniie:

Radiaiile ionizante = acele radiaii (electromagnetice saucorpusculare) care au suficient energie pentru a ionizaatomii (moleculele) substaneicu care interacioneaz.

Prin ionizare (negativ)se nelegescoaterea a celpuinun electrondin atom/molecul => o pereche electron ion (moleculionizat).

Pentru aceasta, electronul atomic trebuie sprimeascdin exterior,de la radiaiaincident,o energie celpuinegalcu energia de

legtur a acestuia n atom/molecul = energia minim deionizare.

NU fac parte din aceast categorie: radiaiile infraroii (IR),lumina, radiaiileultraviolete (IV), microundele.


5/32

Energia minim de ionizare, egal numeric cu primulpotenialde ionizare, diferde la un atom la altul, de la omolecul la alta. Ea are valori cuprinse ntre civa eV i

civazeci de eV. Conceptul de energie minimde ionizarenu este util n dozimetrie deoarece nu inecont de faptul c,la interaciunearadiaiilorionizante cu substana:

- sunt expulzai electroni aflai pe nivele energetice diferite =>energie efectivde ionizare.

- n afar de procesele de ionizare mai au loc i procese deexcitare, de disociere molecularide generare a radiaiilorde frnare.

Acestea sunt motivele pentru care, n dozimetria radiaiilor

ionizante se utilizeaz o energie medie de ionizare(calculat ca raportul dintre energia cinetic iniial aparticulei ncrcate inumrul mediu de perechi electron ion formate cnd aceast energia este complet disipat nsubstan):

)ioneeV/pereche(0

perN

TW


6/32

Fig. 1.1: ionizare = trecerea a celpuinun electron pe un nivel deenergie mai mare dect cel al striiexcitate.Fig. 1.2: Ilustrare grafic a proceselor de excitare i ionizare

produse de oparticulncrcatde-a lungul parcursului sunsubstan.

Un electron cu energia de 1 MeV poate produce, n medieaproximativ 29400 perechi de ioni n aer i aproximativ33800 perechi de ioni n ap.

ion-electroneV/pereche97,33aer

W ion-electroneV/pereche6,29apa

W

Fig. 1.1 Fig. 1.2


7/32

Clasificarea radiaiilorionizanteA) n funciede masa lor de repaus1) Radiaiicorpusculare (cu masde repaus diferitde 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 masade repaus nul, frsarcinelectric,care sepropagn vid

cu viteza luminii c), radiaiiX, radiaiigama ()B) n funciede sarcina electric1) Radiaiincrcateelectric

electroni (e-

), pozitroni (e+

), protoni (p), deuteroni (d), tritoni(t), particule alfa (), ioni grei, mezoni -, +, alte particuleelementare cu sarcinelectric.

2) Radiaiineutre din punct de vedere electric (fr sarcinelectric)

radiaii X, radiaii gama (), neutroni (n), mezoni 0

, alteparticule elementare neutre.


8/32

C) ICRU International Commision on Radiation Units andMeasurements (vezi www.icru.org) a recomandat n 1971utilizarea unei terminologii specifice, care s in seama demodul diferit de interaciune a radiaiilor ncrcate electric fade cele neutre din punct de vedere electric. Astfel,

toate particulele ncrcate sunt denumite radiaii directionizante

toate particulele neutre sunt denumite radiaii indirectionizante.

Radiaiile direct ionizante, fiind ncrcate electric, interacioneazcoulombian cu electronii atomici i produc direct ionizarea (i excitarea)

acestora; - Radiaiileindirect ionizante, fiind neutre din punct de vedere electric, nusimt prezena cmpului coulombian al electronilor (i, evident, nici alnucleului). Exist alte procese de interaciune, specifice, n urma crorarezultparticule ncrcate secundare. Aceste particule ncrcate secundare

produc ionizarea atomilor/moleculelor substanei.
http://www.icru.org/http://www.icru.org/http://www.icru.org/http://www.icru.org/http://www.icru.org/http://www.icru.org/


9/32

Tabelul 1: Caracteristici generale ale radiaiilor ionizante


10/32

O caracteristic important a radiaiilor ionizante o reprezint energiaacestora.

n cazul fotonilor, energia este

unde h = 6,6262 x 10-34J x s = constanta lui Plankc = 3 x 108m/s = viteza luminii n vid

= frecvena undei e.m.

= lungimea de und

n cazul radiaiilor corpusculare, energia esten 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 estemonoenergetic (monocromatic). n caz contrar, spunem c radiaiile

din fascicul prezint un spectru energetic (dN/dE).

hc

hE

TmcE 2


11/32

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 diferitepentru cele dou tipuri de rad. XRadiaiile de frnare: sunt generate de frnarea brusc a

particulelor ncrcate de mare energie n cmpul coulombian alnucleelor atomice.

Probabilitatea acestui proces este direct proporional cu energiacinetica particulei icu numrulatomicZal materialului intiinversproporionalcu masa particulei.

Rezult c intensitatea radiaiilor de frnare va fi mare pentruparticulencrcateuoare,n materiale cu Zmare.


12/32

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


13/32

Fig. 1.5

Fig. 1.6

Fig. 1.7


14/32

Mecanismul de generare al radiaiilorX caracteristiceElectronii orbitali din jurul nucleului sunt grupai pe nivele de

energie, la rndul lor grupate n pturi energetice denumite

convenionalK, L, M, N, etc., n ordine cresctoarea energieielectronilor.Astfel, electronii cu cea mai mic energie (dar cu energia de

legturcea mai mare) sunt cei dinpturaK.Radiaia X caracteristic se obine atunci cnd electronul cu

energie mare, incident pe o int, scoate din atom, prininteraciune coulombian (ciocnire) un electron dintr-unadinpturilemaiapropiate de nucleu.

Locul rmas liber, este imediat ocupat de un electron de pe o

ptursuperioar,elibernd surplusul de energie sub formaunui fotoncu energie bine determinat.Rmneun alt loc vacantcare este ocupat de un alt electron de

pepturaimediat superioar,procesul continund n cascadpnla restabilirea echilibrului energetic.


15/32


16/32

- Aadar, pentru a concluziona, radiaiile gama sunt constituitedin fotoni de mare energie (de la 10 keV la 7,1 MeV,depinznd de natura radionuclidului care se dezintegreazi

de starea lui de excitare). Spectrul radiaiilor gama este unspectru de linii, caracteristic nuclidului care se dezintegreaz.

- Pentru comparaie lumina vizibil este compusdin fotoni cuenergii n domeniul 1,77 3,1 eV (cu ase ordine de mrime

mai mici !). Radiaiigama se obinin procesele de anihilare particul

antiparticul. n dozimetrie idomeniile conexe, importanteste anihilarea electronpozitron:

Anihilarea este de 1000 de ori maiprobabilpentru pozitronul nrepaus, caz n care rezultdoi fotoni gama cu energii de 0,511MeV (energia de repaus a electronului, egal cu cea a

pozitronului).

21 ee


17/32

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


18/32

Mecanismul de generare al electronilor

Electronii sunt expulzaidin atom n urma proceselor de ionizare.

Ionizarea nu este ns singurul proces prin care pot fi obinuielectroni.

Ei pot fi emiiide unele nuclee, instabile, prin dezintegrare -.

Se tie c nucleul nu conine electroni. Atunci cum se explic

emisia electronilor din nucleu?Rspunsuleste dat de reaciademai jos,

care poate avea loc att n nucleu, ct i pentru neutronii liberi

(neutronii sunt particule elementare instabile, cu timpul denjumtire de aproximativ 12 minute). Cu alte cuvinte,atunci cnd un neutron din componena nucleului setransform n proton, este emis un electron i unantineutrino electronic.

eepn


19/32

Spectrul radiaiiloreste continuu(Fig. 1.10), fiind, ca in cazulspectrelor gama, o caracteristic a radionuclidului. Un spectru este caracterizat printr-o limit maxim ( = energia maxim a

electronilor emii),energia medie a radiaiilorfiindLimitele maxime ale spectrelor beta au valori cuprinse ntre 20 keV icivaMeV (cu excepiactorva radionuclizi care emit electroni cuenergii depnla 13 MeV).

Electronii pot fi emiidin atom iprin conversie intern.

max

Emax

3

1EE

Fig. 1.10


20/32

Surse de electroni cu energii mari (zeci de MeV), utilizate nradioterapie, sunt i acceleratorii de particule [acceleratorulliniar (vezi Fig. de mai jos) ibetatronul].

Acceleratorii sunt instalaii care, utiliznd cmpuri electrice sau o

combinaiede cmpuri electrice imagnetice, permit accelerarea(numai a) particulelor ncrcateelectricpnla energii foarte mari(de sute de GeV).

Acceleratorii pentru radioterapie sunt dotaide obicei cu intedintr-un material cuZmare pentru obinereafasciculelor de radiaiiX.

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

Fig. 1.12

Acc. IORT

Novac7

Italia


21/32

Mecanismul de generare al pozitronilor Pozitronul este antiparticula electronului.Pozitronii rezultdin:

(1) dezintegrarea +a unor nuclizi radioactivi(2) generarea de perechi electronpozitron.Dezintegrarea + se explic prin transformarea unui proton n

neutron,

(1)proces care are loc numai n interiorul nucleului.Procesul de generare de perechi electronpozitron,

(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 electroniloratomici. De asemenea, procesul nu are loc dect dacenergia fotonuluidepeteo anumitenergie de prag. Energiile de prag sunt 1,022 MeVcnd procesul are loc n vecintatea nucleului i 2,044 MeV cnd seproduce n cmpul coulombian al unui electron atomic.

Pozitronii nu pot exista dect n micare (lucru valabil pentru orice

antiparticul). Odatajunin repaus, ei se anihileazcu primul electronntlnit n cale

eenp

ee


22/32

Mecanismul de generare al neutronilor Alturide protoni, neutronii sunt constitueniinucleului.

Neutronii sunt obinui n reacii nucleare de tipul (p,n), (d,n),

(,n), (,n) sau n reaciide fisiune nuclear.O surs important de neutroni o constituie deci reactorul nuclear

de fisiune.Neutronii au fost descoperii de ctreChadwick (1932) n reacia

nuclear

Mecanismul de generare al protonilorFascicule 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, seutilizeazacceleratorii de particule.

Deuteronii sunt nucleele atomilor de deuteriu (unul din izotopii stabili ai

hidrogenului);

Deuteronii sunt obinui n reacii nucleare i pot fi acceleraipn la energii foarte mari n acceleratorii de particule.

CnBe 12

6

1

0

9

4

4

2


23/32

Radiaiile

- sunt formate din particulealfa (nuclee de heliu, sau

helioni).- Sunt obinute n reaciinucleare sau sunt emise denucleele alfa radioactive,

cu energii de ordinul MeV-ilor.

Spectrul radiaiilor alfa este

discreti prezint deseorio structur fin.

Pentru a obine energii maimari trebuie utilizaiacceleratorii de particule(ciclotroane).

YX 4

2

4A

2Z

A

Z

Fig. 1.13: Schema de dezintegrare a

Am-241


24/32

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 douclase: mrimifizice cantitativeicalitativeMrimilecantitativesunt la rndul lor de doutipuri:(1) Mrimibazate pe numrulde particule (N):- fluxul de particule ( ),

- fluenaparticulelor ()- debitul flueneiparticulelor (= densitatea de flux) ().(2) Mrimibazate pe energia particulelor:- energia radianttotala particulelor (R),

- fluxul de energie ( ),- fluenaenergetic()- debitul flueneienergetice (= densitatea de flux energetic) (). Definiiile tuturor acestor mrimi fizice vor fi date, n cadrul

modelului cmpului de radiaii i n conformitate cu

recomandrileICRU, n Cursul II.

N

R


25/32

Calitatea radiaiiloreste legatde energia fiecreiparticule n parte.Radiaiilepot fi monoenergetice sau pot avea un spectru energetic.

Calitatea radiaiilor direct ionizante (ncrcate electric) este deseoriexprimat prin intermediul parcursului lor n substan, mrimecare exprimpenetrabilitatea acestor radiaiin substan.

Pentru radiaiile indirect ionizante nu se poate defini un parcurs,deoarece atenuare este exponenial. n loc de parcurs seutilizeaz alte mrimi fizice: drumul liber mediu (DLM) saugrosime de semiatenuare (GSA).

Mai existialte mijloace de specificare aproximativ a calitiiunei radiaii direct sau indirect ionizante. Spre exemplu, nradiobiologie se utilizeaz valoarea transferului liniar deenergie(TLE).


26/32

Tabelul 2: penetrabilitatea unor radiaii ionizante relativ la doumateriale de interes dozimetric (aer iap); aerul este materialul pentrucare se definete expunerea; apa constituie principala component aesuturilor.


27/32

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 nucleareI = procese de interaciune: a radiaiilor cu substana sau a

radiaiilor cu cmpuri electromagnetice externe


28/32

B. Clasificarea dup tipulradiaiei 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.


29/32

Fig. 1.14: Fotografia unor surse de Co-60 utilizate nradioterapie.

Fig. 1.15: Instalaie de iradiere cu Co-60.

Fig. 1.14 Fig. 1.15


30/32

Mrimicaracteristice surselor radioactiveSursele radioactive conin unul sau mai muli radionuclizi i pot

emite radiaiialfa, betasau gama.Legea dezintegrriiradioactive este una exponenial:

n care: N0 = numrulde nuclee radioactive din surs la momentuliniial(t= 0);N(t) = numrulde nuclee radioactive rmasen sursla momentul t; = constanta de dezintegrare ( probabilitatea dedezintegrare a unui nucleu n unitatea de timp)

(1) Activitatea ()O sursradioactiveste caracterizatn primul rnd prin activitatea

sa(becquerel).

adicnumrulde dezintegrrin unitatea de timp.dt

dN 1Bqs 1SI

tNtN exp)( 0


31/32

(2) Timpul de njumtire, T1/2 intervalul de timp dup careactivitatea sursei radioactive scade lajumtate:

de unde rezult:

Fig. 1.15: Ilustrare grafic a legii

dezintegrrii radioactive.

)exp(2

)(2/10

0

2/1 TN

NTN

693,02ln2/1 T

sTSI 1][

2/1


32/32

Activitate volumic (v) , activitate superficial (s) iactivitatemasic(m)

Deseori n activitatea practic, pentru surse radioactive distribuite

ntr-un anumit volum, pe o anumitsuprafasau avnd o anumitmas,se folosesc imrimile:(1) activitatea volumic, adicactivitatea unitiide volum a sursei,

(2) activitate superficial, activitatea pe unitatea de suprafa asursei,

(3) activitate masic, activitatea pe unitatea de masa sursei,

Dacnucleele radioactive sunt distribuite omogenn surs,atunci:

n care Vvolumul sursei, Ssuprafaasursei, mmasa sursei.

3 mBqdV

dv

2 mBqdS

ds

1 kgBqdm

dm

.,,mSV

msv

dozimetrie curs i

Documents