Oversikt (5) KJM 060 - Radiokjemidelen Forelesning 5: Deteksjon av radioaktivitet (og lab-gjennomgang)! Hva skjer når stråling treffer materie?! Stråledoser.! Lab-relevant stoff: < Deteksjon av stråling. < Mor-Datter relasjoner og nuklidegeneratorer. < Nøytronaktivitering. 02 03 Absorpsjon av stråling Direkte ioniserende stråling Hva som skjer når stråling absorberes er viktig å forstå av to grunner:. Strålingen bærer med seg mye energi, det er avsetningen av energien som forårsaker stråleskade.! Nedbremsingen av partiklenes energi skjer ved at deres kinetiske energi skrittvis overføres til absorbatormediet.! Dette medfører at atomene i mediet i ioniseres og eksiteres.! For hver nedbremsing av en enkelt part vil mange tusen atomer eksiteres/ioniseres. 2. For å forstå hvordan detektorer virker og skal benyttes, må vi forstå hvordan de fanger opp strålingen. 04 05 Rekkevidde Indirekte ioniserende stråling Number of ions at given range Number of particles with range between r and r+)r! Uladede partikler, i praksis (-kvant eller nøytroner, vil ikke vekselvirke på samme måte som ladede partikler gjør siden de ikke har ladning.! Et (-kvant kan "kollidere" med et elektron og enten < Overføre all sin energi til elektronet (fullenergi absorpsjon) eller < kun overføre en del av energien til elektronet og sende ut den overskytende energien som et nytt (-kvant (Compton vekselvirkning).! Har (-kvantet energi på mer en,022 MeV vil man også kunne få såkalt pardannelse. Dette skal vi ikke gå inn på her. Range in absorber 06 07
Absorpsjon av (-stråling! (-kvant absorberes ved at enkelte av kvantene absorberes fullstendig.! Den resterende strålen vil ha et kvant mindre, men alle de gjenværende kvantene vil ha sin opprinnelige energi. Ioniserende stråling -oppsummering Stråler av ladede partikler:! Partiklenes energi avtar gradvis.! Antall partikler er konstant inntil strålen er stoppet.! Partikkelstrålen har en endelig rekkevidde. 08 (-stråling:! Antall (-kvant avtar gradvis.! (-kvantens energi er konstant.! En (-stråle har "uendelig" rekkevidde. 09 Stråledose Den biologiske doseekvivalenten! Stråledosen, D, er et mål på hvor mye energi som deponeres pr. masseenhet i det materialet strålingen treffer.! Dosehastigheten, R D, er stråledosen pr. tidsenhet.! Enheten for stråledose er gray (Gy). < Den er definert slik: Gy = J / kg. energi Stråledose = ; masse D = E m Strålingstype H Kvalitetsfaktor 200-250 kev røntgen (-kvant, $-partikler og elektroner Termaliserte nøytroner (< 0.8 MeV) = D Q N Hurtige nøytroner (>0.8 MeV), protoner og "-partikler Tunge ioner 20 3 0 0 Enheten for den biologiske doseekvivalenten er Sievert (Sv). Eksempler på stråledose Store doser! Bakgrunnstråling ca. 2-4 msv/år. < Radon: 2 msv/år. < Medisinsk bruk av stråling: 0,6 msv/år. < Ekstern (-stråling: 0,6 msv/år. < Radioaktivitetet i kroppen: 0,4 msv/år. < Kosmisk stråling: 0,4 msv/år.! Røntgenundersøkelse av mage = 0,44 msv (maks dose til hud = 3,5 msv).! Tannlegerøntgenundersøkelse gir ca. 0,6 msv (-7 msv til huden).! Skjelletundersøkese med 600 MBq 99m Tc gir ca. 3,5 msv.! Flyreiser: < Oslo-Tromsø: 0,0 msv. < Oslo-New York: 0.04 msv. < Romreise i en måned: 0 msv. 2! Doser på rundt 0,25 Sv forårsaker målbare forandringer i blodet.! Likevel vil ikke doser på opptil Sv gi noen øyeblikkelige skader.! Doser over Sv gir de første tegnene til strålingssyke, som er: < Kvalme. < Oppkast. < Hodepine. < Tap av hvite blodlegmer. 3
Tap av forventet livslengde Dosegrenser G jennomsnittlig Årsak/kilde: livslengde tap (dager): Helserisiko: Røke 20 sigaretter pr. dag 2370 20% overvekt 985 Alle slags ulykker 435 Alkohol (gjennomsnitt for USA) 30 Drukning 4 Naturlig bakgrunnsstråling 8 Katastrofer (jordskjelv, osv.) 3,5 Yrkesrisiko: Gruvedrift 328 Bygg og anlegg 302 Jordbruk 277 Transportsektoren 64 Service næringer 47 All slags industri (gjennomsnitt) 74 Strålingsrelatert: Medisinsk røntgendiagnostikk (gjennomsnitt) 6 0,0 Sv yrkesrelatert stråledose (enkelt dose) 0.0 Sv/år stråledose i 30 år 30 4! Dosegrensene for yrkeseksponerte er: < Hele eller store deler av kroppen: 20 msv/år. < Enkeltorganer: Øyelinse: 50 msv/år. Hud, hender og føtter: 500 msv/år < For gravide skal dosen til fosteret ikke overstige ms for den resterende delen av svangerskapet.! Dosegrensen for den øvrige befolkningen er msv/år. 5 Deteksjonsprinsipp Detektortyper for måling av (-stråling + + + + + 6! GM-teller (Geiger-Müller) < Gassfylt kammer. < Lite effektiv for (-stråling, men billig. < Meget dårlig energioppløsning.! NaI-detektor < (-strålingen absorberes i et NaI-krystall som så sender ut en mengde lys proporsjonal til strålingens energi. < Høy deteksjonseffektivietet på grunn av at jod har høy Z. < Moderat energioppløsning, (topp-bredde på ca. 80-00 kev for 332 kev (-stråling).! Ge-detektoren < Basert på halvlederteknologi - Ge-krystallet virker som en gigantisk transistor. < Meget god energioppløsning (topp-bredde på ca.,7 kev for 332 kev (-stråling). < Dårligere effektivitet enn NaI-detektoren, selv om Ge har forholdsvis høy Z. Detektoren må kjøles med flytende N 2. 7 Mor-datter relasjoner Radioaktiv likevekt Når en atomkjerne desintegrerer dannes en ny atomkjerne. Den nye kjernen kan også være radioaktiv og har desintegrasjonshastighet: Hvis T /2 (mor) >> T /2 (datter) vil: A 2 = A (dette er forklart på side 9 og 0 i kompendiet) A 2 Datterens desintegrasjonshastighet dn 2 = = λ N λ N dt Tilvekst av datteren 2 2 Desintegrasjon av datteren Den radioaktive likevekten bruker ca. 0 datterhalveringstider på å instille seg. 8 9
Sekulær likevekt 99m Tc-"ku"! 99 Mo (T/2 = 66 timer) lages ved n-innfagning i en kjernereaktor: 98 Mo(n,() 99 Mo. datternukliden 20! 99 Mo festes på en kolonne i en skjermet beholder.! 99m Tc (T/2 = 6 timer) gror inn.! 99m Tc vil være på formen 99m TcO - 4 (pertechnetat) og har andre kjemiske egenskaper enn Mo.! Pertechnetatet vil ikke sitte fast på kolonnen - 99m Tc kan melkes fra "kuen" ved å suge en saltvannsløsning gjennom kolonnen. beta+ desintegrasjon 65 h 99 Mo 6,4% 82,4% 740 38 99 Tc 42 92 8 43 2x0 5 y 2 Nøytronaktivering Nøytron energi 0000 53Sm 40La 40La 52m Eu 24Na 40 La 24Na 0 5 Nuclear reaction: 57 Gd(n,?) 58 Gd 000 00 0 Irradiation time: 20h Thermal neutron flux: 0 3 cm -2 s - Decay before meas.: 7days Counting time: 268s 0 000 2000 3000 4000 Channel numbers 22 0-5 Neutron energy = 0.025 ev = Maxwell distribution mean value of thermal neutrons 0-5 0 5 Neutron energy (ev) 23 Følsomhet for n-aktiveringanalyse Kjemisk utbytte for væske-væske ekstraksjon Element Nuclear reaction Half-life Cross sect. Sensitivity Na Al Cl V Mn Co Cu As In Sn 23 Na(n,γ) 24 Na 27 Al(n,γ) 28 Al 37 Cl(n,γ) 38 Cl 5 V(n,γ) 52 V 55 Mn(n,γ) 56 Mn 59 Co(n,γ) 60m Co 63 Cu(n,γ) 64 Cu 75 As(n,γ) 76 As 5 In(n,γ) 6 In 22 Sn(n,γ) 23m Sn 4.96 h 2.25 min 37.8 min 3.75 min 2.58 h 0.5 min 2.8 h 26.5 h 54 min 40. min 0.53 b 0.230 b 0.428 b 4.88 b 3.3 b 20 b 2.7 b 4.3 b 92 b 0.80 8 0-6 µg 2 0-4 µg 3 0-6 µg 8 0-6 µg 0-5 µg 5 0-5 µg 3 0-7 µg 3 0-3 µg Org. Aq. Tc på formen 99m TcO 4 - (pertechnetat) ekstraheres over fra 0. M HNO 3 vannfase til organisk fase (toluen) ved at det dannes et kompleks med tri-octylamin. Tri-octylamin er en meget god anionekstraktant i sure løsninger: R 3 N + H + Y R 3 NH + I Eu 27 I(n,γ) 28 I 5 Eu(n,γ) 52m2 Eu 25.0 min 9.3 h 6.2 b 3300 b 6 0-7 µg R 3 NH + + TcO 4 - Y R 3 NH@TcO 4 Hg U 96 Hg(n,γ) 97 Hg 24 h 20 b 0-4 µg 238 U(n,γ) 239 U 23.5 min 2.70 b 0-5 µg n-flux = 0 3 n/cm 2 s, deteksjon med NaI-detektor 24 Kaliumbromat er tilsatt vannfasen for å stabilisere Tc i oksidasjonstrinn +7. 25
Bestemmelse av ekstraksjonsutbyttet! Tc foreligger i ytterst små mengder, kun ca. 0-5 mol.! Slike mengder er meget vanskelig å måle ved vanlige metoder, men enkelt å måle når speciet som skal bestemmes er radioaktivt.! Ekstraksjonsutbyttet er gitt ved: D R org = ; E = R aq D D + 26