Experiment ální a aplikovaná jaderná fyzika

1. Experimentální a aplikovaná jaderná fyzika Milan Krtička

2. Využití jaderných technologií • Jaderná energetika • fussion (fúze) • fission (štěpení) • Jaderné zbraně • Zdravotnictví • zobrazování, diagnostika • terapie • Jaderná magnetická rezonance • Jaderné analytické metody • Datování • Diagnostika průmyslových zařízení • Dozimetrie • Konzervace potravin • Obohacování nuklidů • …

3. Dolet částic - těžké nabité částice počet prošlých částic dolet částic v Al Braggova křivka

4. Dolet částic - elektrony počet prošlých e- v Al dolet e- v něktrých materiálech počet prošlých e- z b-rozpadu 185W

5. Koeficient zeslabení pro fotony

6. Popis záření - dozimetrie popis zdroje, prostředí, kterým se záření šíří, objektu příjemce (člověka) • stochastické veličiny – veličina, která může nabývat obecně více hodnot, každou s nějakou pravděpodobností, přičemž to, které hodnoty veličina nabude, je ovlivněno náhodnými vlivy • např. energie sdělená látce: E = Ein – Eout Vlastnosti: • je definována pouze pro konečné oblasti. Hodnoty se mění nespojitě v prostoru a čase Þ nelze hovořit o rychlosti se kterou změny probíhají • její hodnoty nemohou být předem stanoveny (jen pravděpodobnostní rozložení) • její hodnoty mohou v principu být měřeny s libovolně malou chybou • nestochastické • střední energie sdělená látce <E> už stochastický (náhodný) charakter nemá, takže stochastický charakter nemají ani veličiny definované pomocí této stř. hodnoty (např. dávka – viz dále) Vlastnosti: • je spojitou a diferencovatelnou fcí prostoru a času Þ má gradient • za daných podmínek může být její hodnota v principu vypočtena • může být odhadnuta jako střední hodnota měření s ní související stochastické veličiny • V řadě aplikací lze pravděpodobnostní úvahy zanedbat a definice používat bez náhodných fluktuací

7. Systém dozimetrických veličin • Aktivita (základní veličina) - počet samovolných přeměn v daném množství látky za jednotku času • Měrná akvivita- aktivita vztažená na určité množství – objem, plochu, hmotnost, látkové množsví... Aktivita nevypovídá nic o uvolněné energii, počtu částic... je potřeba definovat jiné veličiny a) Veličiny charakterizující pole záření Fluence částic– hustota prošlých částic – počet částic prošlých jednotkovou plochou Fluenční příkon Fluence energie Příkon fluence energie (hustota prošlé energie)

8. Rozpadová schémata - příklady • počet emitovaných částic může být podstatně větší než aktivita

9. Působení na látku b) Veličiny charakterizující působení ionizujícího záření na látku Dávka– střední energie deponovaná v jednotkovém množství látky přímo ionizujícími částicemi starší (CGS) jednotka: dávkový příkon dávka nevypovídá nic o tom, co se děje okolo (problém s nepřímo ionizujícími částicemi) kerma (kinetic energy released in material) – celková kinet. energie nabit. částic uvolněná v důsledku toho, že vlétla částice primárního záření kermový příkon (kermová rychlost) v rovnovážném stavu bude (v prostředí, kde se absorbuje a vzniká záření) v nerovnovážných procesech Pro fotonové záření se používá i jednotka expozice – odpovídá účinkům záření v suchém vzduchu

10. Vztah dávky a kermy • pro nabité primární částice je to v podstatě to samé • dávka na rozdíl od kermy není mírou energetických ztrát primárního nepřímo ioniz. záření, ale mírou předání E látce sekundárními nabitými částicemi • v blízkosti povrchu látky dochází při ozařování fotony a rychlými n k nárůstu počtu sekundárních nabitých částic spojených s interakcí primárních částic • obecný vztah je složitý, ale při ozařování materiálu svazkem nepřímo ioniz. zážení je kvalitativně dán obr.

11. Vliv záření na organismus • Výše uvedené veličiny nevystihují dobře účinky záření na biolog. organismy • v definicích je trošku nejednotnost - lze se setkat v podstatě se dvěma: • definován dávkový ekvivalentH=D.Q[J.kg-1]= [Sv](sievert) Q – jakostní faktor (relative biological effectiveness (RBE) - vůči 250 keV RTG) • místo jakostního faktoru Q se často používají váhovací faktory wR a wT(podle novějších doporučení ICRP z r. 1990) • wR(radiation weighting factor) (= Q) • popisuje různou biologickou účinnost daného typu záření wT(tissue weighting factor) • popisuje různou citlivost jednotlivých orgánů • Podle ICRP (International Commission on Radiological Protection) 1990: dávkový ekvivalent = efektivní dávka • Podle starších standartů: • dávkový ekvivalent (dose equivalent )(Sv) = dávka (Gy) xwR • efektivní dávka (dose rate) (Sv) = dávka (Gy) xwRxwT = dávkový ekviv. (Sv) xwT

12. Jakostní faktory • Jsou to pouze doporučené hodnoty (konvence) - průměr přes všechny tkáně • Někdy nejednoznačnost v různých zdrojích – viz obr. pro neutrony • Q = RelativeBiologicalEffectiveness (viz „terapie“) Doporučené hodnoty Q (wR) (orientační hodnoty): rentgeny, g-záření, elektrony, positrony, miony 1 tepelné neutrony 3 neutrony o energiích 100 keV – 2 MeV 10 neutrony s energiemi > 20 MeV 5 neutrony (o neznámém energet. spektru) 10 částice s jednotkovým nábojem (těžší než e-) 10 a-částice a další vícenábojové částice 20

13. Ilustrace nejednotnosti – ne pro lidi

14. Jakostní faktory, lineární přenos energie • Lineární přenos energie (LET) • dE – střední ztráta en. způsobená srážkami při kterých dochází k přenosu en. menšímu, než daná hodnota D ([D] = eV);často se užívá - uvažovány všechny ztráty • užívá se: a) při stanovení dávkového ekvivalentub) k návrhu, nebo ověření modelů radiačního působení • = ionizační ztráty Doporučené hodnoty Q (wR) (orientační hodnoty): rentgeny, g-záření, elektrony, positrony, miony 1 tepelné neutrony 3 neutrony o energiích 100 keV – 2 MeV 10 neutrony s energiemi > 20 MeV 5 neutrony (o neznámém energet. spektru) 10 částice s jednotkovým nábojem (těžší než e-) 10 a-částice a další vícenábojové částice 20 vztah mezi a Q

15. Jakostní faktory, lineární přenos energie Důvod pro „pokles“ Q u alpha je zhruba následující: • In many systems, the RBE increases with increasing LET until the LET reaches about100 keV/mm and then begins to decline. This phenomenon is shown for example in the impairmentof regenerative capacity of cultured human cells inactivated by monoenergeticparticles(Nikjoo et al., 1999). The peaking of the RBE at an LET of about 100 keV/mm occurs for severalcomplex reasons; however, in general it only requires a few tens of keV of energy to breaka single strand of DNA and a single alpha particle with an LET of 100 keV/mm is sufficient toproduce a double strand break which is prone to imperfect repair and may result in the death ofthe cell. Thus at LETs greater than about 100 keV/mm, there is sufficient energy to ensure a doublestrand break in target DNA and the breaks induced by the additional energy deposition cannotkill an already terminally damaged cell.

16. tkáňwt gonády 0.20 kostní dřeň 0.12 tlusté střevo 0.12 plíce 0.12 žaludek 0.12 močový měchýř 0.05 hruď 0.05 játra 0.05 jícen 0.05 štítná žláza 0.05 kůže 0.01 povrch kostí 0.01 ostatní 0.05 celkem 1.00 pro uniformní ozáření je SwT = 1 jinak jsou doporučeny hodnoty udané v tabulce vpravo Tkáňové faktory

17. Zdroje radioaktivity • přirozené • pozemské • mimozemské (kosmické záření) • umělé • lékařské aplikace • zkoušky jaderných zbraní • využití ve vědě a technice (energetika) dávka z přirozených zdrojů

19. přibližně lze rozdělit na: jiný zdroj dat:

20. Přirozené zdroje • rozpadové řady + některé „osamocené prvky“ • nejdůležitější 40K, 87Rb a radioaktivní prvky z rozpad. řad • všechny prvky se Z>82 jsou radioaktivní • uranová (4n+2) – z 238U, thoriová (4n) – z 232Th, méně významná aktiniová (4n+3) z 235U • prvky z neptuniové řady (4n+1) se nevyskytují (nejdelší doba života 237Np) • nejrozšířenějším radioaktivním prvkem v přírodě je 40K • záření ze zemské kůry • radioaktivita vody • radioaktivita atmosféry • průměrná dávka se udává asi 2.4 mSv (v naprosté většině 1-5 mSv) • existují vyjímky, kdy je přirozené pozadí i téměř 10x větší • dávka z přirozených zdrojů na osobu za rok v ČR: cca 2,5-3,0 mSv • průměrná dávka z přirozených zdrojů na osobu ve Finsku: cca 8,2 mSv • průměrná dávka z přirozených zdrojů na osobu v íránském Ramsaru, místě s patrně největší přirozenou radiaktivitou na světě: cca 10 mSv (jiný zdroj uvádí 400 mSv; Guapari (Brazílie) – 175 mSv)

21. Rozpadové řady (I) rozpadové schéma neptuniové řady rozpadové schéma aktiniové řady

22. Rozpadové řady (II) rozpadové schéma thoriové řady

23. Rozpadové řady (III) rozpadové schéma uranové řady

24. Kosmické záření - primární složka primární kosmické záření • galaktická složka • v okolí Země: protony (88 %), jádra He (10 %), elektrony a fotony (1 %),další, zejména lehké prvky (1%) • solární složka • v meziplanetárním prostoru se neustále pohybuje od Slunce plazma, tovořeno zejména p a 5-10% iontů He r = 0.5 – 30 p/cm3» hustotě toku 1.5x107 – 2x109 cm-2s-1 a Ep» 0.5 – 3.5 keV • emise vysokoenergetických částic (Ep» až 100 MeV) úzce souvisí se sluneční aktivitou • spektrum e- a e+ strmější

25. Relativní zastoupení jader v kosmickém záření • při energii 10.6 GeV/nukleon • normalizováno na kyslík (=1) • tok jader kyslíku při 10.6 GeV/nukleon • zastoupení jednotlivých prvků v galaktické složsce kosm. záření

26. Kosmické záření - vysoké energie • změna tvaru při energiích 1015-1016eV je známa jako „koleno“ a při 1019 eV jako „kotník“ • původ částic s energii nad „kolenem“ není přesně znám • je-li kosmické záření pro energie pod 1018 eV galaktrického původu, „koleno“ by mohlo reflektovat fakt, že některé kosmické urychlovače dokáží urychlovat částice i na energie nad 1015eV (supernovy) • možná interpretace „kotníku“ je, že částice s nejvyššími energiemi jsou extragalaktického charakteru • částice by neměly mít energii větší než asi 1020eV, protože by to znamenalo, že jejich zdroj je poměrně blízko Země • střední volná dráha pro p s energií 2x1020eV je asi jen 30 Mpc • 1 částice na 1 km2 za století

27. Sekundární kosmické záření sekundární – vzniká interakcí primárního kosm. záření s atmosférou • jeho profil se mění s nadmořskou výškou • při interakcích vznikají opět rychlé p, n, p, d, t, eventuelně další těžší jádra (E » 10-ky MeV) p± , p0 – nestabilní Þ rozpad na m± (dopadají na zem) a fotony (EM sprška) • na povrch dopadají převážně m±,e± a g a nemnoho vysokoenergetických (10 MeV) p, n,... • při mořské hladině můžeme sekundární složku rozdělit na měkkou (e± a g, E kolem 100 MeV) a tvrdou (m±, p±, p, E > 500 MeV) • někdy se ještě vyděluje neutronová složka a silně ionizující složka (těžké částice s E okolo 10 MeV) • radioaktivní prvky zůstavající v atm. jsou hlavně 3H a 14C • vznikají především ve vyšších vrstvách atmosféry reakcemi Vertical fluxes of cosmic rays in the atm. with E > 1 GeV. The points show measurements ofnegative m with E > 1 GeV.

28. Sekundární kosmické záření (II) Miony • nejpočetnější částice v malých výškách • integrální intenzita vertikálních m nad GeV/c na hladině moře je asi 70 m-2s-1sr-1 Elektromagnetická komponenta • pro malé výšky je dominantním zdrojem rozpad m • integrální intenzita pro 10, 100, and 1000 MeV je asi 30, 6, and 0.2 m-2s-1sr-1 • poměr g/(e- + e+) asi 1.5 Nukleony • na hladině moře: • integrální intenzita vertikálních pnad 1 GeV/c je asi0.9m-2s-1sr-1 • poměr počtu n/p~ 1/3

29. Kosmické záření – závislost na výšce závislost hustoty kosmického záření závislost dávkového příkonu na nadmořské výšce kosmického záření na nadmořské výšce a zeměpisné šířce

30. Přirozené radionuklidy Některé přirozené radionuklidy, které nejsou členy rozpadových řad

31. Kosmogenní radionuklidy některé kosmogenní radionuklidy

32. Přirozená radioaktivita zemské kůry a vody • nejrozšířenějším radioaktivním prvkem v přírodě je K • jeho aktivita v zemské kůře je větší než aktivita ostatních dohromady • největší množství těžkých rad. látek (U, Th, K) je v žulách, a nejmenší v usazeninách (vápence) • celková roční dávka záření g ze zemského povrchu kolísá od 0.26 do 11.5 mGy • největší radioaktivita zjištěna v Brazílii a Indii • K - jeho aktivita v zemské kůře je větší než všech ostatních prvků dohromady • nejdůležitější pro člověka je g-záření • průměrná roční dávka je asi 0.4 mSv/rok (žije v ní asi 95% lidí) • radioaktivita vody dána především rozpouštěním nerostných látek • zejména uran se dobře louhuje do vody (největší výskyt v oblasti kyselých hornin) • K se uvolňuje do vody poměrně málo • v mořské vodě je koncentrace radioaktiv. látek o něco vyšší než ve sladkých (více minerálů)

33. Stavby - radon • dalším významým zdrojem záření jsou stavby • způsobeno hlavně radonem (220Ra a 222Ra) • nejvíce ho vzniká Th a Ra (238U) – závisí na jejich obsahu ve staveb. materiálech • přispívá zhruba polovinou (1.3 mSv) k celkové dávce • vniřní kontaminace (viz dále) • dřevěné stavby – 0.5 mGy/rok, železobetonové – 1.7 mGy/rok průměrné roční koncentrace

34. Radioaktivita hornin Radioaktivita hornin v ČR vyjádřená hodnotami dávkového příkonu (nGy/h) (Kukal a Reichmann 2000)

35. Radioaktivita hornin Radioaktivita hornin v ČR vyjádřená hodnotami dávkového příkonu (nGy/h) (Kukal a Reichmann 2000) Nejvyšší radioaktivitu mají horniny jako jsou žuly, které jsou bohaté na K, U i Th. Jak je vidět z mapy aktivity geologického podloží v České republice, nejvyšší aktivity byl zjištěny v oblasti třebíčského masivu a středočeského plutonického komplexu. Naopak nízkou aktivitu mají např. sedimenty v Barrandienu nebo ultrabazické horniny mariánsko-lázeňského komplexu.

36. Radon • Mapa radonového rizika pro okresy v České republice v nejrizikovějších místech přibližně koreluje s mapou aktivity geologického podloží (viz výše) • Navíc jsou rizikovými okresy i místa s významnými ložisky uranu (Příbramsko, Jáchymovsko, oblast Žďáru n. S.) (Kukal a Reichmann 2000)

37. Radioaktivita atmosféry a potravin • vnitřní ozáření • RA atmosféry způsobena radioaktiv. plyny a aerosoly • přispívá prakticky jen 220Rn a 222Rn: 7.10-4 - 0.15 Bq/l; průměr asi 4.10-3 • uvolňování rad. prvků z půdy se zvětšuje s rostoucí T a poklesem tlaku • podíl 14C/C » 10-10; 3H/H » 10-14-10-18 • do potravin se většina rad. látek dostává z půdy (i do živočišné výroby) • rostliny absorbují rad. isotopy stejně jako neradioaktivní (kořenový systém není schopen rozlišit většinou ani chemicky podobné prvky – např. Ra a Ca) • někteří živočichové mohou ve svém těle hromadit rad. látky – zejména 210Pb a 210Po v mořských živočiších (po K asi nejvýraznější zdroj radioaktivity)

38. obsah 40K, 226Ra a Uv některých potravinách

39. Houby :-) • The situation in Europe where wild-growing mushrooms are widely consumed as a delicacy and some species have been found to be extensively contaminated by radioactive fallout from the Chernobyl disaster in 1986. • The natural isotope 40K usually causes activities of 0.8–1.5 kBq kg−1 dry matter. Activities of 137Cs, from nuclear weapons testing, below 1 kBq kg−1 dry matter, were commonly reported until 1985. • The situation changed dramatically after the Chernobyl accident and activities up to tens of kBq kg−1 dry matter of 137Cs and to a lesser extent of 134Cs were observed in the following years in some edible species. Among the heavily accumulating species belong Xerocomus (Boletus) badius, Xerocomus chrysenteron, Suillus variegatus, Rozites caperata and Hydnum repandum. Activity concentrations have been affected by several environmental factors, such as rate of soil contamination with fallout, the horizon from which mycelium takes nutrients, soil moisture and time from the disaster. Wild mushroom consumption contributed up to 0.2 mSv to the effective dose in individuals consuming about 10 kg (fresh weight) of heavily contaminated species per year. The radioactivity of cultivated mushrooms is negligible. Contamination can be considerably decreased by soaking or cooking of dried or frozen mushroom slices. Animals, such as deer, eating mushrooms, have elevated levels of radionuclides in their tissues.

40. Umělé zdroje radioaktivity • nejvýznamnější lidské činnosti produkující radioaktivitu jsou: • medicínská diagnostika, terapie • testy jaderných zbraní v atmosféře • industriální procesy, které využívají přírodní RA isotopy • jaderná energetika • radioaktivní materiály se používají i v celé řadě dalších odvětví – defektoskopie odlitků • sterilizace potravin • třídění rudných materiálů a uhlí • zjišťování zhutnění stavebních materiálů • geologické průzkumy...

41. Lékařství • průměrná dávka z medicinského ozáření se pohybuje mezi 0.4 a 1 mSv • RTG záření • vyšetření plic: 0.08 mSv • vyšetření trávícího traktu: 4 mSv • diagnostika pomocí podávaných radiofarmak • radiofarmaceutické vyšetření: 0.3 mSv • radiační terapie (léčení rakoviny,...) • data existují vlastně jen pro rozvinuté země, z ostatních žádná data • asi 95% dávky v lékařství od diagnostického užití RTG záření • zubařství – asi 1% z medicinské dávky • 1 vyšetření průměrně 0.04 mSv • nejpoužívanější RTG vyšetření (několik set milionů za rok/svět) • podávání radiofarmak tvoří asi 4% z kolektivní dávky • užívá se především 131I a 90mTe • vyšetření na CT: cca 1 až 30 mSv • podle typu vyšetření a přístroje. Vyšší dávka je pro podrobnější celotělové vyšetření. U starších přístrojů bývaly dávky ještě o něco vyšší.

42. Vliv dalších umělých zdrojů • v letech 1945-80 přes 200 jad. výbuchů v atmosféře • vzniklo několik stovek isotopů, ale dodnes jen 4 – 14C (T1/2 = 5730 y), 137Cs (T1/2 = 30 y), 90Sr (T1/2 = 28 y), 3H (T1/2 = 12 y) • asi 2/3 dávky pochází dnes z C • malá příměs je i isotopů Pu a Am (desetiny %), ale velice dlouho žijící • průměrná dávka malá – asi 0.01 mSv, ale kolektivní největší z umělých zdrojů • Industriální využití přírodních isotopů • mnoho procesů nezmapováno (využití geotermální en., těžba fosfátů,...) • významným zdrojem je spalování přírodních paliv – zejména „nejaderná“ energetika • Jaderná energie • RA se vyskytuje v celém procesu těžby, provozu elektrárny a přepracování • Černobyl • v prvním roce po havárii byla v Evropě dávka asi 25-75% přírodního pozadí

43. výbuchy - rozložení RA částic v atmosféře • očišťování atmosféry po výbuších je složitý proces – část částic se dostala do troposféry a postupně se snáší na zem • po výbuchu:středně velké částice (10-6 m) se dostanouvětšinou do stratosféry a jen malá část jichzůstane v troposféřevětší částice velice brzy dopadnou na zem • experimentálně bylo zjištěno, že rozloženíRA látek v troposféře není rovnoměrné • souvisí s vlastnostmi atmosféry(v různých šířkách různá tloušťka troposféry,cirkulace atmosféry) • většina výbuchů provedena na S polokouli

44. výbuchy (vliv 90Sr, 137Cs) • vliv 90Sr a 137Cs, které bylo výrazným zdrojem RA v době výbuchů výrazně klesá už od poloviny 60. let • jako ilustrace může sloužit aktivita 90Sr v 1g kostní tkáně u dětí v době výbuchů • celoživotní dávka od Sr (pro lidi žijící v době výbuchů) se značně liší pro S a J polokouli – odhad jeasi 1.3mSv (S) a 0.28 (J) • podobně je tomu se 137Cs (obrázek je pro dospělého jedince žijícíhov okolí Chicaga) • dávka od Cs (1950-68) se odhaduje naasi 0.6 mSv pro S polokouli a na asi 0.1 mSv pro J polokouli

45. výbuchy (koncentrace 14C) Způsobeno jadernými výbuchy v atmosféře

46. Vliv Černobylu průměrný dávkový ekvivalent přičítaný Černobyluobdržený během prvního roku po havárii regionální průměrný dávkový ekvivalent „pocházející“ z Černobylské havárie

47. Dávky z jaderné energetiky odhadovaný kolektivní dávkový ekvivalent obdržený krátkodobě místním obyvatelstvem a pracovníky odhadovaný kolektivní dávkový ekvivalent obdržený dlouhodobě místním obyvatelstvem a pracovníky

49. Sled událostí v živé tkáni po ozáření

50. Biologické účinky ionizujícího záření (I) Mechanismy účinku záření na živou tkáň • většinou se rozlišují čtyři (někdy tři) význačné etapy lišícíse rychlostí a druhem probíhajících procesů : Fyzikální stadium • interakce ioniz. záření s látkou (ionizace, excitace e-) • velmi rychlé - 10-16-10-14 s Fyzikálně-chemické stádium • sekundární fyzikálně-chem. procesyinterakce iontůs molekulami • dochází k disociaci molekula vzniku volných radikálů(např. H2O H++ OH-, nebo nestabilní produkty schopné oxydace H2O2, HO2) • velmi rychlé - 10-14-10-10s