Radioaktivitet, ioniserende stråling og dosebegreper Astrid Liland Figurer og illustrasjoner: Alexander Mauring CERAD workshop 26/8 2013
Det elektromagnetiske spekteret
Atomets oppbygging Atomet består av: En kjerne med positivt ladde protoner og uladde nøytroner Negativt ladde elektroner som går i baner et stykke unna kjernen Eksempel: Helium 2 nøytroner 2 protoner 2 elektroner
Kart over alle kjente nuklider, stabile og radioaktive Det er til sammen observert ca. 2000 forskjellige nuklider, og de aller fleste av disse er ustabile (radioaktive)
Isotoper og nuklider Isotoper: varianter av samme grunnstoff med likt antall protoner i kjernen, men ulikt antall nøytroner. Eksempel: Karbon (tre hovedisotoper) Karbon 12 (stabil) 6 protoner 6 nøytroner Karbon 13 (stabil) 6 protoner 7 nøytroner Karbon 14 (ustabil) 6 protoner 8 nøytroner Nuklide: atom med et bestemt antall nøytroner og protoner i kjernen, f.eks. C-14 (n + p = 14) Radionuklide: ustabilt atom med et bestemt antall nøytroner og protoner i kjernen, f.eks. cesium-137 (n + p = 137)
Hvorfor er noen nuklider radioaktive? En radionuklide har for mye overflødig masse, energi eller ladning, og ønsker å komme til laveste mulige energitilstand Radioaktivt Vi sier at radionukliden henfaller eller desintegrerer, samtidig som den sender ut stråling, for å nå en stabil tilstand Kjernen er alltid opphavet til den radioaktive prosessen Relativ energi Stabilt Stoffet er radioaktivt, mens strålingen er ioniserende Ioniserende stråling måles i Becquerel (Bq): 1 Bq = 1 henfall/desintegrasjon per sekund
Strålingens interaksjon med materie Når strålingen beveger seg gjennom materie, avsettes mye energi Energien er høy nok til å skape både eksitasjoner og ionisasjoner i materialer Eksistasjon Ionisasjon
Desintegrasjonsprosesser Det er tre hovedprosesser for radioaktivt henfall α Ustabil kjerne β
Strålingens gjennomtrengingsevne De forskjellige typene stråling stoppes ulikt i materie Gjennomtrengingsevnen avhenger også av strålingens energi α β Papir Aluminium Bly
Effekter på celler molekylært nivå Direkte virkning (alfapartikler,, nøytroner) ionisering, bindingsbrudd, tautomere endringer OH I R C = NH imidol (enol) O II R C = NH 2 amide (ketol)
Effekter på celler molekylært nivå Indirekte virkning (gamma, røntgen) fri radikal dannelse (gir oksidativt stress)
LET Linear Energy Transfer Stråling med lav masse har lang rekkevidde, men lav ionisasjonstetthet (lav LET gamma, røntgen) Stråling med høy masse har kort rekkevidde, men høy ionisasjonstetthet (høy LET alfa, protoner) α
Fisjon spalting av atomer Naturlig uran: 99.3% U-238 0.7% U-235 Lavt anriket uran (Kjernebrensel) 3-5% U-235 Høyanriket uran (Atombombe) 90% U-235 E=mc 2
Fisjonsprodukter Typiske kortlivede: Xe-135, I-131, Zr-95, Sr-89 Typiske langlivede: Cs-137, I-129, Tc-99, Sr-90
Halveringstid Tiden det tar før halvparten av radioaktiviteten har forsvunnet fra et gitt stoff Start 1 halveringstid 2 3 Halveringstiden skrives t 1/2 Varier fra millisekunder (eks. Ra-215) til milliarder av år (eks. U-238)
Aktivitet og spesifikk aktivitet Aktiviteten kan angis som total aktivitet, f.eks. at kobolt-60 kilden på Figaro er 444 GBq Når man måler radioaktivitet i prøver, angis spesifikk aktivitet eller aktivitetskonsentrasjon Bq/kg (jord, kjøtt, vegetasjon) Bq/l (vann, melk) Bq/m 3 (luft) Aktiviteten er et mål på antall henfall per sekund For å relatere dette til farepotensiale, må vi beregne dosen som en spesifikk stråling gir.
Avstandsloven for gammastråling I luft avtar intensiteten til en gammakilde med kvadratet av avstanden I I 4 d 2d
Figaro doseraten avtar gjennom hallen Doserate = dosehastighet = Gy/t, mgy/t, µgy/t
Absorbert dose (D) Energi avsatt i materie SI enhet J/kg Benevning gray (Gy) Kan måles direkte og det fins standardlaboratorier for dette (f.eks. på Strålevernet : SSDL SekundærStandard DosimetriLaboratoriet) Brukes som enhet i medisinsk strålebruk og for akutte strålingskader
Vektingsfaktor for strålingstype, w R α
Ekvivalent dose, H T Beregnes for et spesifikt organ eller vev Si enhet J/kg Benevning sievert (Sv) Brukes for å sette dosegrenser slik at man unngår akutte vevsreaksjoner og begrenser seneffekter H w D T R T, R R T = tissue (vev) w R = vektingsfaktor for strålingstype R = radiation D = absorbert dose
Vektingsfaktor for vevstypers strålingsfølsomhet, w T
Effektiv dose, E Summerer over alle organer og vev i kroppen Si enhet J/kg Benevning sievert (Sv) ~Helkroppsdose Brukes for å anslå risiko for seneffekter (stokastiske effekter ) E T w T H T
Eksterne stråledoser
Dosekonverteringsfaktorer (Sv/Gy) 620 tabeller for organdoser og effektive doser som vedlegg til ICRP Publication 116
Interne stråledoser via inhalasjon eller inntak
Ervervet dose (Committed dose) ved inntak Ervervet ekvivalent dose (Committed equivalent dose) H T ( ) t 0 t 0 H T ( t) dt der ԏ er integrasjonstiden fra inntak av en radionuklide ved tid t 0 til en tid t, normalt 50 eller 70 år. Ervervet effektiv dose (Committed effective dose) E ( ) w T H T ( ) T Tabeller med dosekonverteringsfaktorer fins, f.eks. vil 1 Bq Cs-137 via mat gi en effektiv helkroppsdose på 0,000014 msv over 70 år.
Husk å angi hva slags dose! Absorbert dose (D, i Gy) Organdose (Ekvivalent dose, H T, i Sv) Helkroppsdose (Effektiv dose, E, i Sv) Ervervet dose ved inntak ( E( ), i Sv over et gitt tidsrom) Eller dosehastighet (Gy/t, Sv/t) Sv brukes bare for eksponering av mennesker, for andre organismer brukes Gy
Høye og lave stråledoser Definisjonen av lave doser debatteres, men flere mener at: Lav dose for mennesker: < 100 mgy akutt absorbert dose Lav doserate for mennesker: < 5 mgy/t For gammastråling er 1 Gy 1Sv
Biologiske effekter av lav og høy stråling Direkte vevseffekter (deterministiske effekter) Inntrer når stråledosen går over en gitt terskelverdi Høye doser, kort virkningstid Eks. Sterilitet; skader på mage-tarm og sentralnervesystemet, død Skadeomfanget øker proporsjonalt med absorbert dose Litvinenko døde etter forgiftning med Po-210 Seneffekter (stokastiske effekter) Lave til middels doser, lang virkningstid Eks. Kreft, hjertekar-sykdommer, genetiske effekter, grå stær Sannsynligheten øker proporsjonalt med absorbert dose Photo: Percy Hospital and IRSN Sårdannelse og nekrose
Tradisjonelt syn på strålingens virkning MEN: ved lave doser andre mekanismer, f.eks. bystander effects, inflammasjon, epigenetikk (metylering, histoner, mikro RNA) Dette skal vi forske på i CERAD!
Hvor finner vi stråling? Årsdose E=4,5 msv Kosmisk stråling 7 % Helsevesenet 19 % Radioaktiv forurensing 2 % Omgivelsene 14 % Kroppen 10 % Radon 48 %