Ikke ødeleggende materialprøving

HØGSKOLEN I GJØVIK AVDELING FOR TEKNOLOGI Seksjon for 110204 Design Materialler 2004 Lab. øving M3.3 NDT - Non Destructive Testing Ikke ødeleggende materialprøving Innholdsfortegnelse Design Materialler 2004 Lab. øving M3.3...1 NDT - Non Destructive Testing...2 NDT kontroll 2 Vanlige NDT Metoder 2 Oppgaver NDT kontroll...3 Rapportering 3 Penetrantprøving (PT)...4 Magnetpulverprøving (MT)...5 Prøvingsbetingelser 5 Røntgen Testing, måling av stråling med geigerteller....6 Oppgaveteksten følges 6 Strålevern og Industriell Radiografi...7 1. Stråling...7 2. Aktivitet...8 3. Røntgenstråling...9 4 Radiografisk prøving av sveist plate...10 5 Pentrameter...11 6 Stråledose...12 7 Doserate, doseekvivalentrate (H) og eksposisjonsrate...14 8 Måling av stråling...15 9 Biologiske virkninger...17 10 Biologisk bakgrunn...18 11 Stråleskader...21 12 Strålevernsprisipper...25 13. Strålingsmengder...26 14 Skjerming...27 Jo Sterten 2004-02-11 1

NDT - Non Destructive Testing For mange konstruksjoner er det nødvendig NDT for å kontrollere at ønsket kvalitet er oppnådd. Det kan også være aktuelt å sjekke kvaliteten etter hvert som tidens tann virker inn. NDT kontroll NDT er altså en forkortelse for den engelske betegnelsen Non Destructive Testing (ikke Destruktiv Materialprøving) og brukes både i Norge og andre land som betegnelse på metoder for feilsøking. Det finnes ulike metoder for slik testing, som blant annet Magnetpulver- (MT), Penetrant- (PT), Ultralyd- (UT), Virvelstrøm- (ET) og Radiografiprøving (RT). NDT-metoden er benyttet helt fra ca 200 f. Kr., da Archimedes bestemte forholdet mellom gull og sølv i kong Hiero`s krone ved å måle tettheten i materialet uten å skade kronen. Han veide den ganske enkelt og sammenlignet med vekten av den vannmengde kronen fortrengte. I Norge brukte NSB i mange år mannen med den lange hammeren som slo på toghjulene og lyttet til klangen. Denne enkle akustiske metoden har uten tvil avverget mange jernbaneulykker. NDTkontrollørenes arbeid foregår der hvor materialer og komponenter blir framstilt, enten i produksjon eller i forbindelse med drift og vedlikehold av ulike typer anlegg. Ved å bruke en eller flere av kontrollmetodene kartlegges tilstanden til det som prøves. Dette gjøres for å verne helse, miljø og verdier. Det stilles store krav til en NDT kontrollør med tanke på stor grad av nøyaktighet. I Norge har vi sertifiseringsordning på 3 nivåer der nivå 3 er det høyeste nivå. Vanlige NDT Metoder PT Penetrant Testing (detektering av overflatefeil) Tyntflytende væske som kan trenge inn i overflatefeil. Etter at væsken på overflaten blir vasket bort kan en fremkaller trekke penetrantvæsken opp til overflaten fra evt. feil og en får feilindikasjoner. Indikasjonene vurderes visuelt. MT Magnetpulver Testing (detektering av overflatefeil) Benyttes på ferromagnetiske materialer. Man påtrykker ett magnetisk felt på testobjektet og fører på jernpulver. Pulveret vil hope seg opp ved feil som bryter feltlinjene p.g.a. at det dannes en sør og nord pol der. RT Radiografisk Testing (detektering av overflate og innvendige feil) Objektet blir gjennomstrålt og strålingen sverter en røntgenfilm som senere blir fremkalt. Innvendige og utvendige feil vil avsløre seg som mørke felt på bildene. VT Visuell Testing (detektering av overflatefeil) Benytter egne øyer direktesammen med godt lys, måleutstyr og evt. mikroskop, kamera, fiberoptikk for å se etter feil. UT Ultralyd Testing (detektering av overflate og innvendige feil) Ekkoprinsipp. Høyfrekvent lyd sendes inn i objektet og ekkolyden blir tolket. Dvs. ved feil vil man få et ekko som ikke skulle være der. Jo Sterten 2004-02-11 2

Oppgaver NDT kontroll M3.3 Benytt utdelte prøveobjekt Frivillig øvelse 1. PT : 1.1 Følg prosedyre. 1.2 Tegn inn feil på skisse og beskriv evt indikasjoner 1.3 Vurder om feilene kan aksepteres 1.4 Hvilke feil kan denne metoden detektere Frivillig øvelse 2. MT : 2.1 Følg prosedyre 2.2 Tegn inn feil på skisse og beskriv evt indikasjoner 2.3 Vurder om feilene kan aksepteres 2.4 Hva slags materialer kan denne metoden anvendes på. Obligatorisk lab. øvelse 3. RT 3.1 Strålevern : Beskriv 3 negative biologiske virkninger som ioniserende stråling kan medføre. 3.2 Gi eksempler på hvordan ulike materialer slipper igjennom stråling. 3.3 Beskriv det radiografiske prinsipp med skisse 3.4 Måling av stråling med geigerteller Mål bakgrunnstråling med geigerteller og anfør svaret i µsv 3.5 Betrakt bildet og lag skisse med evt. feil. - Fyll ut rapportskjema 4. Generelt 4.1 Hva er forskjellen på NDT og DT (Destruktive testing) Rapportering Det skal skrives en rapport pr. gruppe. Rapporten skal følge vitenskaplig metode anvist i utdelt rapport mal. Rapporten skal minium besvare: 1.4, 2.4, 3.1,3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 4.1 Jo Sterten 2004-02-11 3

Penetrantprøving (PT) Prosedyre : 1. Rengjør med alkohol og tørk godt av objektet. 2. Rist penetrantboks (rød) og spray på rød fargepenetrant (20 cm avstand) 3. La penetranten penetrere i 10 min, tegn objekt 4. Vask av all penetrant med vann NB vask ordentlig, det må ikke være penetrant igjen på objektet. Bruk til slutt papir med alkohol og tørk av. Unngå papirlo på objektet. 5. La objektet tørke 6. Fremkallerboksen (hvit) ristes godt og fremkaller sprayes på litt etter litt samtidig som man inspiserer. (NB objektet må være tørt på forhånd) Inspiser i 10 min. 7. Tegn inn feil på skisse og beskriv evt indikasjoner 8. Vurder om feilene kan aksepteres. 9. Rengjør objektene ASME: Relevante indikasjoner Relevante indikasjoner er de indikasjoner som er resultat av material og sveise feil i objektet. Feil skal klassifiseres i henhold til : Lineære indikasjoner: Indikasjoner er å betrakte som lineære dersom lengden er større tre ganger breden. Alle lineære feil som ikke klassifiseres som sprekker kommer i denne kategori. Sprekker og lineære indikasjoner skal rapporteres med posisjon, størrelsen orientering og type. Sprekker eller sprekklignende feil Posisjon, størrelse, orientering skal rapporteres. Linære indikasjoner som ikke kan typebestemmes med sikkerhet, skal betraktes som sprekklignende indikasjoner. Runde indikasjoner: indikasjoner er å betrakte som runde dersom lengden er mindre eller like tre ganger bredden. Ikke relevante indikasjoner: Ikke relevante indikasjoner kan oppstå ved forurensninger, mangelfull rengjøring og lignende. Enhver indikasjon som man tror kan være ikke relevant indikasjon, skal i første omgang betraktes som relevant indikasjon, og ny undersøkelse skal foretaes for endelig å bestemme om den kan skyldes en virkelig feil. Oppstår det tvil om tolkning eller at resultatet fra prøvingen er mindre godt, skal det foretas omprøving. Akseptkriterier: Kun indikasjoner med større utstrekning større enn 2 mm for de lineære indikasjoner og 4 mm for de runde indikasjoner skal regnes som relevante. Alle overflater skal være fri for: - Sprekker, bindefeil og rotfeil - relevante lineære indikasjoner - relevante runde indikasjoner større enn 4 mm. - Fire eller flere relevante runde indikasjoner på linje med avs tand mellom dem mindre enn 2 mm kant til kant Det er indikasjonens størrelse som skal ligge til grunn for akseptvurderingen og ikke hva man tror den virkelige størrelse kan være. Jo Sterten 2004-02-11 4

Magnetpulverprøving (MT) Fremgangsmåte : 1 Rengjør objektet og tørk godt. 2 Objektet magnetiseres (påtrykk spenning 2 4 sekund) og påsprayes magnetpulver. 3 Inspiserer objektet. 4 Tegn inn feil på skisse og beskriv evt indikasjoner 5 Vurder om feilene kan aksepteres. Utstyr Magnetiseringsutstyr - yoke Utstyr av type elektromagnet - yoke med AC -strøm skal benyttes. Den skal minimum ha en løftekraft på 5 kg (49 N) ved anvendt polavstand og på aktuelt prøvemateriale. Strømmagnetiseringsutstyr Vekselstrømkilde for strømmagnetisering skal benyttes når prøveforholdene tilsier det. Dette som et tillegg eller erstatning for elektromagnet - yoke. Aggregatet skal kunne levere tilstrekkelig strømstyrke for å tilfredsstille kravene til feltstyrke. Strømkilde som yter 1400 A, AC i toppverdi. Utstyr for feltstyrke, feltretning og prøvebetingelser For å verifisere feltretningen og styrke skal det brukes Berthold-kryss eller Castrol strips. UV -lampe (lys) Ved prøving med fluorescerende magnetpulver skal det benyttes UV- lys. Utstyrets effektivitet/intensitet skal tilfredsstille gjeldende krav som er minst 1000 µw/cm 2 på prøveflaten ved en bølgelengde fra 0,35 µm til 0,4 µm. Før prøvingen starter skal lyset være påslått min. 5 minutter. I området hvor prøvingen utføres, skal det være tilstrekkelig mørke med max.10 Lux hvitt lys. Prøvemedium (deteksjonsmedium) Fluorescerende våtpulver skal være type gulgrønt. Før og under prøvingen skal en sikre at feltet i prøveområdet er 2,4 ka/m. Maksimalt anbefalt feltstyrke er 4,0 ka/m for konstruksjonsstål. Prøvingsbetingelser Det skal utføres prøving i to retninger, 90 0 på hver andre for å sikre indikasjon av både langs- og tverrgående feil. Ved prøving av sveiste forbindelser, skal prøveområdet dekke 25 mm på hver side av sveisen. Prøveutførelsen skal være kontinuerlig, det vil si at prøvemediet påføres mens magnetfeltet er påtrykt. En skal være spesielt oppmerksom på sideveisforflyttning av yoken for å sikre en 100 % dekning og nødvendig overlapp. AKSEPTKRITERIER (definisjon indikasjoner se PT) Relevante indikasjoner er bare de som overstiger 2,0 mm i største utstrekning. Objektet skal være fri for - Sprekker, bindefeil og rotfeil - relevante lineære indikasjoner - relevante runde indikasjoner større enn 4 mm. - Fire eller flere relevante runde indikasjoner på linje med avstand mellom dem mindre enn 2 mm kant til kant Det er indikasjonens størrelse som skal ligge til grunn for akseptvurderingen, ikke hva man tror den virkelige størrelse kan være Jo Sterten 2004-02-11 5

Røntgen Testing, måling av stråling med geigerteller. Røntgenprøving benyttes for å lokalisere hulrom, porer, sprekker, slagginneslutninger og liknende diskontinuiteter i gjenstander av metalliske materialer i hovedsak, f.eks. sveisefuger. En lar røntgenstråler passere gjennom materialet og en film på baksiden svertes av strålene som kommer gjennom. Hulrom og liknende feil gjør at strålene slipper lettere gjennom og filmen svertes mer der det er feil. Fordeler: Oppdager feil som ikke er synlige på overflaten. Lokaliserer små feil Ulemper: Dyr apparatur, krever omfattende beskyttelse. Utførelse: Røntgenbilde taes under veiledning fra instruktør for de med maskinvalg. Oppgaveteksten følges Prosedyrer som benyttes ved skolens røntgenutstyr 1. Administrasjonsprosedyrer Siv. ing Jo Sterten er ansvarlig leder og besvarer alle henvendelser om bruk av skolens røntgenutstyr fabrikat Andrex, modell CP-490, maks KV 160 og maks ma10, stilles til han. 2. Arbeidsprosedyrer Røntgenutstyret er plassert i blykabinett med 5 mm blyplater som skjerming. Døren til blykabinettet er påmontert strømbryter. Skjermingen er funnet adekvat og blykabinettet ble godkjent avstatens strålevern. Røntgenutstyret varmes først opp med 4 mm bly i fokus på åpningen som skjerming. Eksponering foretas med 3 mm aluminium i fokus åpningen. Ansvarlig leder er alltid til sted og bruker filmdosimeter i filmbeholder med åpent vindu til kontroll. Lekkasje stråling blir målt med Geigerteller Universal Survey meter RD-10 og Radix 1000. 3. Vedlikeholdsprosedyrer Vedlikehold utføres av leverandørfirmaet A/S Hartmann, Oslo eller produsenten Andrex A/S, København. Utstyret ble kjøpt 15/11-85 og leverandør var da ansvarlig på å følge Statens strålevern bestemmelser om krav til røntgenapparater for industriell radiografi (1. juli 1985). 4. Uhellsprosedyrer Strømmen til røntgenutstyret kan brytes ved å åpne døren til blykabinettet eller ved å bruke nødstoppbryter på styrepulten. Som nevnt er ansvarlig led alltid til stede når røntgenutstyret benyttes slik at uhell ikke skal forekomme. Hvis tross alt uhell skjer, vil alle berørte bli send til Gjøvik Fylkessykehus for kontroll. Bildefremkalling (mørkerom) Sikkerhet fremkalling En bør unngå kontakt med fremkallervæsken (hydroquione > 1 % ) som er Lokalirriterende Prosedyre - Fremkalling 1. Slå av alt lys unntatt dempet lys og steng dør. Varsellampe på. 2. Ta av folien på filmen og unngå at blyfolien på hver side av filmen blir med på fremkallingen. Unngå å knekke filmen. 3. Putt filmen i fremkallermaskinen (under merket sensor) 4. Etter ca. 4 min ta filmen ut fra enden av maskinen Bildebetraktning (gjelder alle) Se gjennom ulike feil i Blått atlas. Prøv å gjenkjenne ulike feiltyper og karakternivå. Fyll ut vedlagte rapportskjema etter beste evne. Jo Sterten 2004-02-11 6

Strålevern og Industriell Radiografi 1. Stråling Elektromagnetisk stråling er bølger/fotoner med hastighet på ca. 300 000 km/s Eksempler på elektromagnetisk stråling Stråletype Energi Gammastråling Røntgenstråling Ultrafiolett stråling Synlig lys Infrarødt lys Mikrobølger Radiobølger 30-3000 kev 12.4 ev-400 kev 3.1-12.4 ev 1.6-3.1 ev 0.0012-1.6 ev 0.000001-0.0012 ev < 0.000001 ev Ionisasjon Betyr vanligvis fjerning av et eller flere elektroner fra et atom. Røntgenstråling er ioniserende stråling da denne strålingen har høy nok energi til å slå løs elektroner fra atomene i det stoffet strålingen treffer. Det er dette prinsippet som benyttes i en geigerteller. Isotoper Noen stoffer er ustabile og sender ut ioniserende stråling. Strålingen kommer fra atomkjernene, og årsaken er at kjernen har et overskudd av energi. Ofte skyldes dette at det er for mange eller for få nøytroner i kjernen. Isotoper som sender ut ioniserende stråling kalles radioaktive. Alfa - Beta og Gammastråling. Det er tre hovedtyper av stråling fra radioaktive stoffer, α -alfa-, β-beta- og γ-gammastråling. Der α og β er partikkelstråling og γ - stråling er elektromagnetisk stråling. a - stråling er partikkelstrålingbestående av to nøytroner og to protoner. Alfastråling har liten gjennomtrengingsevne og stoppes av tynt papir eller etter 2-6 cm i luft. Eks.: Uranatomet atomnr. 92, sender ut alfastråling og går over til thorium (atomnr. 90.) b - stråling er utsendelse av elektroner fra atomkjernen. Det finnes ikke elektroner i kjernen, men et av de opprinnelige nøytronene deler seg i et proton og et elektron. elektronet sendes ut i samme øyeblikk som det dannes. Betastråling har en rekkevidde i luft på fra noen cm og opptil noen meter avhengig av energien. Eksempel: cesium-137 atomnr. 55 sender ut betastråling og blir Barium-137 atomnr-56 g - stråling er elektromagnetisk stråling som sendes ut fra atomkjernen. Kjernen tilhører samme grunnstoff før og etter utsendelsen. Gammastråling fra et bestemt radioaktivt stoff sendes ut med helt bestemte energier. Eksempel: Kobolt-60 (60Co) sender ut gammastråling med energi på 1.17 og 1.33 MeV. Iridium-192 sender ut gammastråling med syv forskjellige energier mellom 0.30 og 0.61 MeV. Gammastråling har stor gjennomtrengningsevne og svekkes lite når den går gjennom et stoff. Jo Sterten 2004-02-11 7

2. Aktivitet. Aktivitet måles i enheten becquerel som er definert som 1 kjernespaltning pr. sekund: 1 becquerel (Bq) = 1 spaltning pr. sekund Tidligere brukte man enheten curie (Ci) for aktivitet (Etter Madam Curie). Forholdet mellom denne gamle enheten og den nye enheten becquerel er som følger: 1 Ci = 37 GBq = 37 000 000 000 Bq Halveringstid. Den tid det tar før antallet radioaktive atomkjerner er redusert til det halve, kalles halveringstid. Halveringstiden for en bestemt isotop er alltid den samme. De mest kortlivede radioaktive isotopene har halveringstider på noen brøkdels sekunder, mens de mest langlivede isotopene kan ha halveringstider på flere milliarder år. Eksempel: Uran-238 har en halveringstid på 4.5 milliarder år. Polonium-212 har en halveringstid på ca. 0.00000003 sekunder. Ytterbium-169 har en halveringstid på 31 dager. En radiografikilde på 250 GBq vil han en aktivitetr på bare ca. 4 GBq etter seks måneder. Ytterbium-169 kilder må derfor byttes ganske ofte. Iridium-192 har en halveringstid på 74.4 døgn. En radiografikilde på 1000 GBq vil derfor ha en aktivitet på 500 GBq etter 74.4 døgn. Etter 5 måneder (ca. 2 halveringstider) er aktiviteten igjen halvert til 250 GBq. Cobolt-60 har en halveringstid på 5.3 år. En Cobolt-60 kilde med aktivitet 400 GBq vil derfor ha en aktivitet på 200 GBq etter 5.3 år. Etter nye 5.3 år, dvs. når det totalt er gått 10.6 år, vil kilden ha ne aktivitet på 100 GBq. Måling av stråling Geigerteller Elektroner som slåes løs i en gass pga. ioniserende stråling bli tiltrukket av en positiv elektrode inne i geigertelleres. Strømmen blir så målt og gir en indikasjon på hvor mye stråling geigertelleren blir utsatt for. Jo Sterten 2004-02-11 8

3. Røntgenstråling. For å få røntgenstrålin trenger man elektrisitet, fortrinnsvis meget høy spenning (Kv ) for å trykke/suge elektroner til sprang fra en katode (-) til en anode (+). Røntgenstråling oppstår når elektronene som beveger seg med svært høy hastighet blir nedbremset og stoppet i et materiale med høyt atomnummer. Under oppbremsingen vil elektronene miste energi. Det meste av energien vil bli overført til det materialet elektronene treffer i form av varme. En liten del, mindre enn 1% av den energien elektronene gir fra seg vil omdannes til elektromagnetisk stråling. Det er dette som er røntgenstråling ( ). Prinsippskisse av røntgenrør. Glasskolbe Vakuum Katode - Glødetråd Elektroner Fokus Anode + Røntgenstråling Det sendes strøm gjennom en glødetråd av wolfram på katoden slik at glødetråden oppvarmes og blir hvitglødende (1800 o C ). Anoden gis en positiv høyspenning i forhold til katoden slik at elektroner (e) trekkes over til anoden med en voldsom fart og røntgenstråling ( ) oppstår. For at elektronene skal bevege seg uten hindring skal det være vakuum (lufttomt) i røret Et røntgenapparat produserer stråling med alle energier fra null og opp til en maksimalverdi som er bestemt av høyspenningen. Den mest lavenergetiske strålingen vil imidlertid bli stoppet i glassveggen på røntgenrøret. I et røntgenrør som kjøres med høyspenning 200 kilovolt (kv) har elektronene fått tilført en energimengde på 200 kev når de treffer anoden. Maksimalenergien på røntgen- strålingen blir da 200 kev, fordi dette er den øvre grensen for hva et elektron kan gi fra seg av energi. Middelverdien for energien i røntgenstrålingen vil i dette tilfelle være ca. 80 kev på et vanlig røntgenapparat. Jo Sterten 2004-02-11 9

4 Radiografisk prøving av sveist plate Filmen legges under plata på motsatt side av strålekilden. Strålekilden (røntgenrør eller isotop) plasseres over sveisen i avstand SFD (stråle-filmdistansen). Prinsippskisse SFD avstand kilde film f avstand kilde - objekt Strålekilde Plate med sveis w materialtykkelse Film Vanlig enkeltveggteknikk (single-wall penetration) der prøvingsobjektet er plant. Overflatepreparering er bare nødvendig ved uregelmessigheter på overflaten som gjør det vanskelig å tyde radiogrammet (bildet). Merking: Filmen kan merkes med tusj utenpå folien, men for at selve filmen etter fremkalling skal ha gjenkjennbar merking må man benytte blybokstaver el.l. oppå selve prøvestykket. Objektet som prøves skal også merkes for å gjennfinne plaseringen av hvert radiogram. Hvis sveisen ikke kommer frem på radiogrammet bør det benyttes indikatorer. Ved flere filmer skal de overlappe hverandre og da må dette merkes. Det er en fordel å å merke filmen med en kjent størrelse (10 mm) slik at man kan finne målestokken til ferdig film. Jo Sterten 2004-02-11 10

5 Pentrameter Kvalitet på fremkalt film: For å finne bildekvaliteten benyttes tråder med forskjellige tykkelse oppå objektet. Trådene skal vises på filmen og når vi ser den tynneste tråden vet vi at bildet er bra. Bildekvalitetsindikator (IQI), etter ISO 1027 (NS 10455) DIN 62 FE ISO 012 Klassefisering Klasse A : Generelt eks. platetykkelse w = 10 mm skal synlig tråd-diameter være 0,25 mm Klasse B : Metoder med høyere følsomhet eks. w = 10 mm skal synlig tråd-diameter være 0,16 mm Se tabell for krav ved forskjellige matrialtykkelser w. Oppdragsgiver vil bestemme klassefisering. Jo Sterten 2004-02-11 11

6 Stråledose Absorbert dose Det materialet strålingen treffer, vil etterhvert absorbere strålingens energi. Absorbert dose er et mål på hvor mye energi som absorberes i det bestrålte materialet. Definisjon: Dose er absorbert energimengde pr. masseenhet i det mediet strålingen trenger inn i. Dose Dose = Absorbert dose Massentil det bestråltelegemet I SI-systemet for enheter er enheten for absorbert stråledose kalt gray, som forkortes til Gy. 1 Gy er definert som en energiavsetning på 1 J/kg. ("J" står for joule, som er SI-enheten for energi) Tidligere ble enheten rad (Radiation Absorbed Dosis) brukt for absorbert dose. Sammenhengen mellom ny og gammel enhet er: 1 Gy = 100 rad Doseekvivalent Det viser seg at samme stråledose fra ulike typer stråling ikke nødvendigvis gir like store skadevirkninger på mennesker. Denne forskjellen tar man hensyn til ved å mutiplisere stråledosen fra hver enkelt type stråling med en kvalitetsfaktor. (Biologisk skadefaktor). Når man multipliserer dose med en kvalitetsfaktor får man en størrelse som kalles doseekvivalent. Doseekvivalent = dose x kvalitetsfaktor eller H = D*Q der H står for doseekvivalent, D for dose og Q for kvalitetsfaktor. Enheten for doseekvivalent i SI-systemet er Sievert, som forkortes til Sv. Tidligere brukte man enheten rem (Radioation Eqkivalent Man). Sammenhengen mellom sievert og rem er: 1 Sv = 100 rem Verdien for kvalitetsfaktoren avhenger av hvilken type stråling det gjelder. I tabellen er verdiene av Q for de forskjellige stråletypene gitt. Jo Sterten 2004-02-11 12

Verdier av kvalitetsfaktoren Q for ulike typer stråling Type stråling Q Røntgenstråling 1 Gammastråling 1 Betastråling 1 Nøytroner 10 Alfastråling 20 Eksempel: På et år får en arbeider en dose fra (d) gammastråling på 2 mgy og en dose fra nøytronstråling på 0.5 mgy. Hvor stor blir den totale doseekvivalenten (D) for arbeideren? H = D*Q Gammadoseekvivalent = 2.0 mgy x 1 = 2 msv Nøytrondoseekvivalent= 0.5 mgy x 10= 5 msv Total doseekvivalent = 7 msv I indrustriell radiografi brukes bare gamma- og røntgenstråling. For disse stråletypene er Q=1, slik at 1 Gy svarer til 1 Sv. Derfor kan det i denne sammenhengen virke likegyldig om man bruker dose målt i gray eller dose- ekvivalent målt i sievert, siden tallverdien blir den samme i begge tilfeller. I strålevernssammenheng er man imidlertid naturlig nok mest interessert i den biologiske virkningen av strålingen, og derfor er det mest hensiktsmessig å bruke doseekvivalent og sievert. Eksposisjon Eksposisjon er en størrelse som har vært mye brukt i forbindelse med røntgenstråling og gammastråling. Eksposisjon er et mål på strålingens evne til å ionisere luft. Definisjon: Eksposisjon er ladningsmengde frigjort av ioniserende stråling pr. masseenhet luft. (Gjelder bare for røntgenstråling og gammastråling med energi lavere enn 3 MeV) I SI-systemet er det ikke noe spesielt navn på enheten for eksposisjon, og man må derfor bruke den sammensatte enheten for eksposisjon, C/kg ("C" står for coulomb som er SI-enheten for ladning). Den gamle enheten for eksposisjon var røntgen. Denne enheten har vært mye brukt i strålevernssammenheng, så det kan være en fordel å ha kjennskap til sammenhengen mellom doseekvivalent (som måles i sievert) og eksposisjon (som måles i røntgen), selv om de gamle enhentne forhåpenligvis vil gå ut av bruk etterhvert. For gamma- og røntgenstråling har man følgende forhold mellom doseekvivalent og eksposisjon: 1 røntgen (R) svarer til 0.0096 Sv = 9.6 msv Til hverdags er det nok å huske at: 1 millirøntgen (mr) svarer omtrent til 10 µsv Jo Sterten 2004-02-11 13

7 Doserate, doseekvivalentrate (H) og eksposisjonsrate Stråledose, doseekvivalent og eksposisjon er størrelser som på hver sin måte kan angi hvor mye stråling man har mottatt, uten å ta i betraktning over hvor langt tidsrom bestrålingen har pågått. I praktisk arbeid med stråling er det viktig å vite "hvor fort" man mottar strålingen. Dersom en person arbeider i et område i en time og får en doseekvivalent på 20 µsv, er doseekvivalentraten i dette området 20 µsv pr. time (µsv/h). På lignende måte uttrykker man doserate i Gy/h og eksposisjonsrate i R/h. Sammenhengen mellom dose, doserate og tid er: dose = doserate x tid Tilsvarende gjelder for doseekvivalent og eksposisjon: doseekvivalent = doseekvivalentrate x tid eksposisjon = eksposisjonsrate x tid Eksempel: En radiograf oppholder seg i et område hvor doseekvivalentraten er 15 µsv/h i fem timer og senere i et område med doseekvivalentrate 50 µsv/h i et kvarter. Hva blir den totale doseekvivalenten for radiografen? Deseekvivalenten fra de to områdene må regnes ut hver for seg og legges sammen tilslutt. Vi bruker formelen H = H * t der H står for doseekvivalent H står for doseekvivalentrate t står for tid H1 = 15 µsv/h * 5 h 15 min H2 = 50 µsv/h* 60 min = 75.0 µsv h = 12.5 µsv Total doseekvivalent H1 + H2 = 87.5 µsv Jo Sterten 2004-02-11 14

8 Måling av stråling Vi kan ikke med sansene våre registrere ioniserende stråling direkte. For å kunne registere stråling, må man gjøre en strålevirkning målbar ved hjelp av en eller annen form for instrument. Strålingen avgir energi til det stoff den absorberes i og denne stråleenergien vil kunne gi ulike former for fysiske eller kjemiske virkninger. Det er disse virkningene som utnyttes i de ulike typer målemetoder som brukes for å registrere ioniserende stråling. Til de fleste måleinstrumenter som brukes i industriell radiografi utnyttes strålingens ioniserende egenskaper. Man kan si at alle instrumenter som utnytter dette prinsippet består av en beholder med en metalltråd i midten (sentral- elektrode). Beholderen er fylt med en gass og sentralelektroden har en positiv elektrisk spenning i forhold til veggen av beholderen. Når stråling treffer gassen dannes det elektroner (som er negative) og positive ioner. Elektronene vil da trekkes mot sentralelektroden, og man kan måle den elektriske ladningen, enten ved å "samle den opp", registrere pulser eller måle det som en elektrisk strøm. Den mest vanlige instrumenttypen som benytter seg av ionisering er geigerteller, ionekammere og proporsjonaltellere. Den viktigste forskjellen på disse instrumenttypene er den elektriske spenningen. Vanligvis benyttes geigertellere som måleinstrument innen industriell radiografi. Pipetelleren (akustisk varsler) er også en geigerteller, men i stedet for å vise doseraten på en skala, avgis det "pip" med økende hyppighet ettersom doseraten øker. Til registrering av doser (persondosimetri) er det mest brukte prinsippet svertning av fotografisk film. Dette er en kjemisk strålevirkning som utnyttes i filmdosimetret. Måleinstrumenter i industriell radiografi Det vanligste måleinstrumentet innen industriell radiografi er geigertellere. Dette instrumentet er meget velegnet til registrering av doserater som forekommer innen industriell radiografi. Skalaen på dagens instrumenter er som regel i µsv/h eller µgy/h. Husk at 1 mr/h = 10 µsv/h = 10 µ Gy/h! Skalaen på instrumentet bør være slik at man lett kan avlese doseekvivalentrater i området 5-100 µsv/h. Pipetelleren avgir pip som kommer hyppigere jo større doseekvivalentraten er. Telleren kan "kalibreres" mot en geigerteller. Det bør kontrolleres at justeringen er slik at det er en klar økning i pipehyppigheten allerede ved 20 µsv/h. Ionisasjonskammere som er kalibrert, brukes av SIS til å kontrollere geigertellere ved besøk på bedriftene. Det er viktig å merke seg at det kan være en del feilkilder ved geigertellerne. En av de viktigste feilkildene er energiavhengighet. Tellerne er som regel kalibrert for gammastråling fra 60 Co, og viser som regel nokså riktig verdi for stråleenergier fra 200 kv røntgen og oppover. Ved lavere energier enn 200 kv røntgen, viser de fleste instrumenter for liten verdi, og ved 100 kv er det ikke uvanlig at utslaget bare er halvparten eller mindre av den "riktige" verdien. Jo Sterten 2004-02-11 15

Det viktigste som kan bidra til at utslaget blir feil er: - Energiavhengighet - Temperaturavhengighet - Gal kalibrering - For lav batterispenning - Feil ved rør og elektronikk Det er viktig at man gjør seg kjent med energiavhengigheten og temperaturavhengigheten til instrumentene og at man tar de nødvendige forholdsregler mot de andre feilkildene. Persondosimetri Alle som stadig arbeider med ioniserende stråling har krav på at stråledosene registreres (persondosimetri). Alle som arbeider innen industriell radiografi faller innenfor denne gruppen arbeidere, og bedriften skal derfor sørge for at de utstyres med persondosimetre. Det vanligste i Norge er at SIS utfører denne dosimetritjenesten for bedriftene. SIS benytter seg av filmdosimetre i sin persondosimetri, og bedriftene får hver måned tilsendt filmer til sitt personell. a) Filmdosimetri. Fotografisk film kan benyttes til dosebestemmelse fordi det er en bestemt sammenheng mellom svertingen og den absorberte dose. I emulsjonen er det lagt sølvbromid som små krystaller. Når krystallene absorberer strålingsenergi, slås noen av elektronene løs og beveger seg gjennom krystallgitteret. Disse elektroner kan fanges opp på et lite felt på overflaten av krystallen, og de vil trekke til seg positive sølvioner. Ladningen vil nøytraliseres, og det oppstår samlinger av sølvatomer som danner det latente bilde. Ved fremkallingen vil alle sølvioner i de krystaller der det er dannet latent bilde reduseres til sølv som gir sverting på film. De ueksponerte sølvbromidkrystaller oppløses ved fiksering. Svertingen øker med dosen og bestemmes ved å sende lys gjennom filmen og så måle svekningen av lysintensiteten. SSV benytter et filmdosemeter der filmholderen er bygd opp av polypropylen og har 5 filtre. Filmen kan benyttes til å bestemme doser fra ß-, Y- og røntgenstråling og termiske nøytroner. ß- og røntgenstrålingen har ulik svekning i de forskjellige filtrene, og svertningen av filmen under filtrene blir derfor forskjellig. Svertningsmønstret benyttes til å bestemme stråletype og - energi, og stråledosen kan deretter beregnes. For fotonstråling vil den dose som skal til for å gi en bestemt svertning, variere med strålekvaliteten. Vi sier at følsomheten varierer. Fotoner med effektiv energi 40 kev (tilsvarer ca. 100 kv rørspenning) har for plastfiltrene en følsomhet som er 25 ganger større, og for Dural-filtret en følsomhet som er 20 ganger større enn for Y-stråling (192/r og 60Co). For 200 kv er følsomheten for disse filtrene ca. 15 ganger større. Dette gjør det lett å lese av doser fra røntgenstråling helt ned til 50 µsv, mens doser fra gammastråling gir jevn svertning over hele filmen og er vanskelig å skille nøyaktig fra filmens bakgrunnssvertning når eksposisjonen er under 300 µsv. Jo Sterten 2004-02-11 16

9 Biologiske virkninger Mekanismene som ligger til grunn for de biologiske effekter av stråling er meget kompliserte. Vi skal derfor ikke forsøke å beskrive dette i detalj. Vi vil imidlertid gi et visst bilde av de ulike formene for stråleskader som kan inntreffe og diskutere risikoen for at dette skal skje. Det antas at enhver stråleskade skyldes skader i kroppens celler. I cellen er det en cellekjerne, hvor cellens "koding" ligger lagret (dvs. at f.eks. en hudcelle er kodet for å oppføre seg som en hudcelle og ikke noe annet). I denne kodingen er det såkalte DNA-molekylet av fundamental betydning. Ved at strålingen er ioniserende vil et "treff" av stråling i cellekjernen kunne forårsake at DNA-molekylet brytes opp. Dette vil igjen kunne føre til at enten 1) ved celledeling vil dattercellene ikke være levedyktige (celledød), eller 2) det skapes en forandring i dattercellenes "koding". Ved at det skjer skader av disse typene vil det i sin tur kunne oppstå skader i vevet som vil merkes kort eller lang tid etter bestråling. Slike biologiske effekter deles gjerne inn i 3 hovedkategorier: Akutte skader Senskader (kreft) Genetiske skader (skader på arveanleggene) Tilstrekkelige strålemengder kan gi alvorlige skader. Det som er typisk for mange strålevirkninger er at de tar tid å utvikles, i motsetning til andre former for skade f.eks. forbrenninger. Ved en forbrenning blir virkningen synlig umiddelbart eller meget snart. Ved strålevirkning på hud kan det gå uker før virkningen blir synlig, selv om det kan være like alvorlig og få samme utseende som en forbrenning. På den annen side finnes det også virkninger som kommer meget tidlig f.eks. kan skader på benmarg og celler i blodet påvises etter få timer i visse tilfeller også etter relativt få minutter. Strålearbeid vil selvfølgelig føre til noe bestråling. Det er derfor meget viktig å kjenne til strålingens natur og de skadene disse kan gi. Dette for å kunne forstå viktigheten av å opptre aktsomt og å følge strålevernlovgivningen. Vi vet idag nok om denne type stråling til å forebygge skader i vårt arbeid. Fra radiologiens pionerer har vi rikelig erfaring om hudskader og hudkreft etter bestråling, likeledes skader i blod og benmarg. Fra strålebehandling av pasienter i snart et par generasjoner har vi lært meget om strålingens virkninger, og når det gjelder strålingssyken etter store stråledoser mot hele kroppen har vi foruten erfaringene fra Hiroshima og Nagasaki også detaljerte undersøkelser av pasienter, som har vært utsatt for ulykker ved atomenergianlegg. Endelig har vi tallrike og omfattende dyreforsøk og undersøkelser på lavtstående organismer, fra virus og bakterier til planter, insekter og høyere dyr. Dette har tilsammen gitt oss øket innsikt og forståelse av strålingens virkemåte. Moderne røntgenapparater kan gi betydelige stråledoser på kort tid. 20 cm fra anoden kan doseekvivalenten variere fra få msv til 10 sv eller mer pr. min., avhengig av apparatets spenning, strømstyrke og filtrering. Doseekvivalenten pr. tidsenhet avtar sterkt med økende avstand, hvis den f.eks. er 10 sv. pr. min. i 20 cm's avstand, vil den på 1 m's avstand være sunket til 0,4 sv pr. min. Jo Sterten 2004-02-11 17

10 Biologisk bakgrunn Det viser seg at med få unntak har alle cellene i en organisme like mange kromosomer, hos mennesket er tallet 46. En normal celledeling skjer alltid slik at dattercellene får like mange kromosomer hver som morcellen hadde, og med samme mengde og samme slags arvestoffer. Arvestoffet eller arveanleggene følger kromosomene. Normal celledeling er en forutsetning for all vekst og all fornyelse av vev, både som følge av vanlig slitasje, og ved reparasjon av skader. Mange celler mister evnen til å dele seg, etter hvert som de spesialiserer seg mer og mer. Det gjelder f.eks. nerveceller og mange muskelceller. Det kan gjelde kjertelceller som produserer sekret, og vi finner det også i overhuden. Evnen til vekst er meget forskjellig (evnen til celledeling) i kroppens forskjellige vev og organer. Her er det en nær sammenheng mellom cellers strålereaksjon, reaksjonen er sterkest hvor veksten er størst. Dette forholdet er viktig for å forstå det som skjer etter bestråling. Dette vil si at unge celler (celler som deler seg hyppig) er de mest strålefølsomme. Men andre forhold er også av betydning. Disse er bl.a.: - Dosens fordeling i tid. Virkningen er vanligvis svakere for samme dose gitt over et lengre tidsrom. - Lokal eller total bestrålning. Man tåler ofte større doser hvis lokal bestrålning. - Alder, generellt er yngre mer strålefølsomme. - Strålekvalitet, virkningen øker med økende ionetetthet. LOKAL BESTRÅLNING Generell oversikt Meget strålefølsomme: Blodannede vev (ryggmarg) Kjønnsceller i testikler og eggstokker Tarmepitel Moderat strålefølsomme:overhud og slimhinner Spyttkjertler Lunger Bindevev Nyrer m.fl. Lite strålefølsomme: Ben og brusk Muskulatur Nervevev Jo Sterten 2004-02-11 18

BLOD OG BLODDANNEDE VEV I blodet kommer det tidlig forandringer i antall hvite blodlegemer etter bestrålning, selv etter forholdsviv små doser. Disse forandringene er et resultat av stråleskadene i benmargen. På et tidlig tidspunkt, allerede innen 1 dag, kan benmargen vise meget uttalte forandringer. Etter de største doser kan den i løpet av kort tid bli praktisk talt celletom. Dens evne til reparasjon og regenerasjon er imidlertid meget stor, og benmargen kan nydannes selv etter meget uttalte skader. Blodforandringer har stor diagnostisk betydning når det foreligger alvorlige stråleskader. Vanlige strålevirkninger er nedsatt antall hvite blodlegemer og celler med kromosomskader. Anemi kommer først etter større samlede doser. Man har påvist kromosomskader både umiddelbart etter, og mange år etter bestrålning. Dette er sannsynligvis den beste biologiske indikator på stråledosen, både små og store og metoden kan brukes fra like etter bestrålning og lengre tid etterpå. Når det gjelder stråledosene er det uengihet om de minste doser som kan føre til påviselige forandringer. Noen finner ikke forandringer etter daglige doser på 1/1000 sv (1 msv), selv etter flere år. Andre mener at det ved statistiske metoder kan påvises lette forandringer etter daglige doser av denne størrelsesorden, og til dels noe lavere. Når det gjelder de lave stråledoser som faller innenfor de maksimalt tillatte doser, kan disse bare påvises med fysikalske målemetoder. For å gi tydelige utslag med en biologisk indikator som f.eks. blodforandringer trengs stråledoser som ligger utenfor de akseptable grensen. TYNNTARMENS SLIMHINNE Muskelveggene i tynntarmen er på innsiden kledd av en slimhinne som danner folder og totter. I kjertlene foregår det til stadighet en sterk celledeling. En normal tarmfunksjoner avhengig av at det til stadighet nydannes celler. Celletap p.g.a. f.eks. bestrålning kan føre til at slimhinnens struktur bryter sammen og det oppstår alvorlige tarmskader. Næringsstoffene blir ikke fordøyet og resultatet er diarè med sterkt væsketap. Barriæren mot infeksjoner fra tarmen svekkes og tarmbakterier trenger lettere gjennom tarmveggen inn i blodet. Ved doser opp mot 10 sv. klarer ikke tarmen og regenere, man kan overleve slike skader hvis bare endel av tarmslimhinnen er ødelagt ved lokal bestrålning. HUD Strålereaksjonen i huden representerer en reaksjonstype, hvor virkningen først kommer etter en latenstid uten vesentlige symptomer. En dose på fra 0,5-10 sv. gir en lett rødhet i huden etter ca. 8-10 dager. Den individuelle reaksjon kan variere betydelig. I noen tilfeller kommer det en lett rødhet like etter bestrålning som forsvinner fort igjen. Når dosen økes kommer også hevelse i huden, og det kan komme skalling av overhuden. Med større doser kommer det blemmer, Jo Sterten 2004-02-11 19

overhuden avstøtes i større eller mindre grad, vi får overfladiske væskende sårflater med skorpedannelse, samtidig kommer det håravfall. Den akutte hudreaksjonen avtar gradvis, skaden repareres og sårflatene dekkes, men etter en uttalt reaksjon blir det også varige forandringer. Huden blir tynnere og glattere, blir brunpigmentert og holder seg tørr. Ved over 10-20 Sv. engangsbestrålning kan man få total ødeleggelse av huden, vevet avstøtes, og man kan få dype sårdannelser som har meget vanskelig for å gro. Kan behandles ved vevtransplantasjon. Ved mindre, men gjentatte stråledoser, kommer forandringene mer gradvis, og det kreves større sammenlagt dose for å få samme reaksjon som etter en enkelt bestrålning. Også ved små doser regner vi med at litt av virkningen er blivende, og vil i årenes løp kunne summere seg og gi forandringer i huden som er gangske like en kortvarig større bestrålning. SLIMHINNER OG SPYTTKJERTLER Slimhinnen har en raskere celle omsetning enn huden, strålereaksjonen ligner meget på hudens, men latenstiden er kortere. Når dosen kommer over 20 Sv. bli slimhinnen sår og tørr. Ved bestrålning med store doser kan spyttkjertlen i løpet av få timer hovne sterkt opp og bli fast og øm. LUNGENE Lungene kan bli alvorlig skadet etter bestrålning med tilstrekkelig store doser. Når dosen overstiger 20-30 Sv. er symptomene en plagsom tørrhoste og åndenød hvis tilstrekkelig store deler av lungene er bestrålt. Etter hvert utvikles det gradvis i løpet av måneder kroniske forandringer hvor lungevevet skrumper. BEN OG BRUSK I ben og bruk finnes det modne celler, disse vevene har en tildels meget langsom omsetning. Etter tilstrekkelig store doser vil også benvev og brusk ødelegges, vevet dør og det har lett for å bli betennelse. Man må opp i doser på 50-70 Sv. før disse komplikasjoner gjør seg gjeldende. Ved røntgen bestrålning hvor energiabsorpsjonen i benvev er betydelig større enn bløtdeler, kan den absorberte dose i ben bli inntil ca. 4 ganger større enn i bløtvevet omkring. KJØNNSCELLENE I testiklene foregår det til stadighet mange celledelinger. En dose på 0,25 Sv. fører til en reduksjon av spermietallet for en tid, en dose på 2,5 Sv. kan gi temporær sterilitet, og med en dose på 6 Sv. er det sannsynlig at det blir varig sterilitet. Eggcellene som dannes allerede ved fødselen fornyes ikke og det er angitt at en dose på 0,5 Sv. kan føre til temporær sterilitet. Doser over 4-5 Sv. vil fremkalle varig sterilitet. Jo Sterten 2004-02-11 20