Dozymetria - jak mierzymy promieniowanie
hejto.pl
Poprzedni wpis o obrazowaniu medycznym całkiem nieźle się przyjął, dziękuję za wszystkie pioruny. Dziś dozymetria, czyli działka zajmująca się pomiarami promieniowania.
Jednostki, stare i nowe
Na wejściu omówię jednostki, żeby było wiadomo o czym mówię.
Bekerel (Bq, 1/s) - miara radioaktywności próbki. Określa ile (średnio) rozpadów promieniotwórczych na sekundę zachodzi w całej naszej próbce. Często podaje się aktywność np. na mililitr lub gram. Dawniej korzystało się z kiurów, zdefiniowanych jako aktywność 1g ²²⁶Ra, ale ta jednostka jest mało praktyczna do przeliczeń. W przeliczeniu 1 Ci ≈ 37 GBq.
Rentgen (R, 1/3875,97 C/kg) - napromieniowanie, czyli jaki ładunek został wytworzony na jednostkę masy powietrza przez promieniowanie. Łatwo mierzalna, ale mało użyteczna jednostka - nie uwzględnia promieniowania niejonizującego, i uwzględnia powietrze zamiast tkanek. Dodatkowo słabo przelicza się na układ SI. A kto oglądał Czarnobyl od HBO ten wie, że 3.6 R/h to not great, not terrible
Grej (Gy, J/kg) - dawka pochłonięta, czyli ile energii zostało pochłonięte na jednostkę masy. Dawniej podawana w radach (1 Gy = 100 rad). Do przeliczania rentgenów na greje stosuje się przeważnie przybliżenie 1 Gy ≈ 96 R.
Siwert (Sv, J/kg) - dawka równoważna, najważniejsza jednostka w dozymetrii. Nie każde promieniowanie ma taki sam wpływ na organizm, czy konkretne organy, i ta jednostka to oddaje. Przykładowo, 1 Gy od promieniowania X przyjęty na dłoń (bo ktoś sobie podłożył rękę pod włączony aparat RTG) to 0,01 Sv. Ale już 1 Gy w protonoterapii raka mózgu to 0,25 Sv - 25x więcej. Dawniej podawana w remach (1 Sv = 100 rem).
Jaka dawka jest groźna
Dawka do 1 Gy przeważnie nie daje żadnych objawów. Przyjmuje się, że 3 Gy zabije połowę populacji (jeśli wszyscy otrzymają pomoc), przy 6 Gy szanse są iluzoryczne. Są oczywiście wyjątki - Anatolij Bugorski (na zdjęciu) w 1978 roku wsadził głowę do pracującego akceleratora protonów i dostał wiązką, przez co przyjął 2000-3000 Gy, i żyje do dziś, z niewielkimi, jak na taką dawkę, skutkami zdrowotnymi.
Ile dawki dostajemy na co dzień
Przyjmuje się że Polcy i Polaki przyjmują średnio 3,5 mSv rocznie (za moich czasów
-
im wyżej, tym mocniejszy wpływ promieniowania kosmicznego - popatrzcie na Alpy czy Kaukaz. Dodatkowe kilometry powietrza działają jako całkiem niezły filtr
-
pierwiastki w ziemi też mają wpływ - popatrzcie na Sudety i koncentrację uranu. Był ostatnio artykuł o mapach geologicznych, ale nie odważę się łączyć tych dwóch tematów, za cienki bolek jestem
Innym ciekawym źródłem są podróże samolotem. Na wysokości 10 km promieniowanie kosmiczne jest dużo większe, i tak kilkunastogodzinny lot z Krakowa do Chicago to 0,03-0,05 mSv dawki ekstra. Loty przez biegun są bardziej szkodliwe, ze względu na wyższe promieniowanie kosmiczne przy biegunach - to tam pole magnetyczne Ziemi ściąga cząstki naładowane. Dalej w temacie samolotów, Concorde, który latał na niemal dwukrotnie wyższym pułapie, operował przy 2-3 większych mocach dawek, ale latał ponad 2x szybciej, więc dawka była podobna co przy typowych lotach poddźwiękowych. Dodatkowo, na pokładzie zamontowany był radiometr, i w przypadku silnego rozbłysku słonecznego pułap był obniżany.
Kolejnym dużym źródłem jest radon w pomieszczeniach. A skąd on tam, zapytacie. A z materiałów budowlanych i z gleby. Naturalnie występujący uran rozpada się na rad i dalej na radon, który (jak to gaz) uwalnia się ze ścian i przenika przez podłogi.
W poprzednim pisie wspomniałem też o telewizorach kineskopowych. W ich wnętrzu znajdowała się lampa, czyli działo elektronowe, identyczne jak w aparacie rentgenowskim, wycelowane w ekran i dalej w widzów. Norma dopuszczała moc dawki 0,5 mR/h w odległości 5 cm od ekranu, co daje ok 5 uGy/h. Czyli pomijalnie mało względem tła. Ale normy normami, a życie życiem, zwłaszcza na wschodzie, więc Rubin z “podkręconym” napięciem na lampie, albo z ekranem słabej jakości (nierówny, zbyt mało domieszkowany borem, strontem lub ołowiem) mógł oczywiście emitować tego więcej.
Są też na świecie obszary o dużo wyższej naturalnej dawce, np. w Ramsar w Iranie jest to średnio 10 mSv/rok od samych źródeł naturalnych, z rekordowym miejscem 131 mSv/rok - ponad 40x więcej niż średnio w Polsce. Dalej jest to jednak daleko od groźnych dla zdrowia poziomów.
A tak przedstawiają się typowe dawki promieniowania od procedur medycznych:
-
RTG zęba - 0,005 mSv
-
RTG klatki piersiowej - 0,1 mSv
-
mammografia - 0,4 mSv
-
TK głowy - 2.0 mSv
-
TK jamy brzusznej - 8-10 mSv
-
PET/TK całego ciała - 25 mSv
Jako kolejna ciekawostka - istnieje pojęcie dawki równoważnej bananowi, czyli jaką dawkę przyjmujemy po zjedzeniu jednego banana. Promieniowanie wynika z wysokiej zawartości potasu, w tym jego radioaktywnego izotopu ⁴⁰K. Jest to ok 0,1 uSv - mało, zwłaszcza gdy porównamy z pozostałymi dawkami.
Jak mierzymy promieniowanie
Generalna zasada działania jest ta sama - promieniowanie jonizuje (lub wzbudza) ośrodek, a my mierzymy wygenerowany prąd lub światło.
Licznik Geigera - każdy słyszał, większość kojarzy charakterystyczne trzeszczenie. Jest to tuba z gazem (argon i alkohol) pod niskim ciśnieniem. Przez tubę przebiega drut - anoda, obudowa to katoda, podajemy na nie wysokie napięcie (kilkaset woltów). Promieniowanie jonizuje gaz w tubie, cząstki lecą do katody lub anody, mamy impuls elektryczny. Zapinamy amperomierz, skalujemy, et voila.
Licznik scyntylacyjny - mamy kryształ (np. ZnS), który ulega wzbudzeniu - elektrony przeskakują na wyższe poziomy energetyczne (“orbity”). Powrót elektronów na ich nominalne stany energetyczne powoduje emisję fotonu. Dalej taki foton puszczamy na fotopowielacz, dalej na fotokatodę i liczymy ile otrzymaliśmy fotonów.
Liczniki półprzewodnikowe - tu materiałem detekcyjnym jest półprzewodnikowe złącze p-n, w którym promieniowanie powoduje powstawanie dziur elektronowych i wolnych elektronów, co następnie powoduje powstanie krótkich impulsów elektrycznych. Ze względu na małe wymiary takie detektory są podstawą matryc w obrazowaniu medycznym. Z wyglądu nic ciekawego, bardzo podobne do matryc CMOS ze zwykłych aparatów.
Detektory termoluminescencyjne - podstawa dozymetrii indywidualnej, podobne do liczników scyntylacyjnych. Nie mierzą mocy promieniowania, a dawkę przyjętą przez dłuższy czas. W związkach jak CaF2 czy LiF z domieszką magnezu i tytanu, elektrony po umieszczeniu w wyższych stanach energetycznych zostają tam uwięzione. Do odczytu musimy podgrzać detektor do 100℃ aby pozbyć się niestabilnych odczytów, potem do 200-250℃ gdy mierzymy ilość uwolnionych elektronów (czyli impulsów świetlnych). Potem musimy ‘wyzerować’ detektor, czyli uwolnić wszystkie elektrony nadal zalegające na wyższych stanach, więc podgrzewamy do 400℃ na godzinę. Oczywiście każdy detektor trzeba najpierw skalibrować i kontrolować, no i podgrzewać zawsze w takim samym cyklu. Takie detektory można nosić przypięte do fartucha, lub jako pierścionek, pic rel.
Komora mgłowa (Wilsona) - to tylko ciekawostka, bo nie mierzy mocy promieniowania, ale pokazuje tory cząstek. Jest to szczelna komora z przesyconą parą alkoholu izopropylowego, i z polem magnetycznym dla łatwiejszej identyfikacji cząsteczek. Cząsteczki przelatując przez parę powodują jej kondensację wzdłuż swojego toru ruchu. Dzięki polu magnetycznemu ten tor jest zakrzywiony - elektrony w jedną stronę, pozytony i alfa w drugą, neutrony prosto.
Widło, bo bardzo ładne: https://www.youtube.com/watch?v=q1o4-zGLQ5A
Wnioski na koniec
Każdy dostaje dawki promieniowania, nie da się całkowicie przed tym uchronić, ale dawki na co dzień nie są wysokie. Podobnie z procedurami medycznymi. W medycynie stosuje się promieniowanie tylko tam, gdzie jest to medycznie uzasadnione, i stara się chronić pacjentów (i personel).
Dobrze być świadomym, ale na co dzień nie ma się czego bać.
O mnie, a po co, a na co
Jestem fizykiem medycznym z wykształcenia (i DevOpsem z przypadku). W zawodzie nie pracuję, ale te parę lat studiów ładowałem wiedzę do głowy, trochę poopowiadam, może kogoś zainteresuje.
#fizykamedyczna #promieniowanie #detektory a i w sumie #mapy też
