Bevezetés a nukleáris környezetvédelembe

1. Bevezetés a nukleáris környezetvédelembe

2. + Tipikus α -spektrum:

3. Bragg-görbe: Relatív energiaátadás Tanulság: rendszám- és energiafüggés

4. Folytonos spektrum a neutrínó miatt (háromtest esemény):

5. Energiaátadás a közegnek: (Nemrelativisztikus energiákra) Értsd: korpuszkuláris ütközéses energiaátadás • Fontos különbség az α-sugárzás fékeződéséhez képest: • Az elektronok két ütközés között a Coulomb-térben fékeződve • röntgensugárzás kibocsátása által is veszítenek energiát. A β-sugárzás jellemző hatótávolsága levegőben: 1m/MeV

6. Pozitronsugárzás esetén pozitronok és elektronok találkozásakor annihilációs sugárzás lép fel: Az elektromágneses kvantumok energiája: 511 keV (=mec2) Feltételezi, hogy a pozitron csak teljes lelassulás után (néhány eV-ig) vesz részt ebben a kölcsönhatásban!

7. Forrás: Wikipedia

8. Gammasugarak rugalmatlan szóródása szabad elektronokon Mekkora a közegnek (a meglökött elektronnak) átadott energia?

9. Relativisztikus levezetés!

10. Az átadott energia: Tehát van egy maximálisan átadható energia (θ=180o): A hatáskeresztemetszet: - rendszámfüggés (egyenes arányosság) - energiafüggés (erősen csökkenő – ez nem következik az iménti levezetésből)

12. Rendszámfüggés: mivel az elektronok kötési energiái a rendszámmal nagy mértékben emelkednek, a nagy energiájú γ-sugarak fotoeffektusának valószínűsége a rendszámmal meredeken nő.

13. A párkeltés Az annihiláció megfordítottja Energiaküszöb: 1,02 MeV (két elektron tömegének megfelelő ekvivalens energia) A hatáskeresztmetszet a rendszám négyzetével arányos A háromféle kölcsönhatás versengésére példa:

14. Szekunder sugárzások: • Fékezési röntgensugárzáselektronok fékeződése Coulomb-térben • Karakterisztikus röntgensugárzáselektronvakancia betötődésekor egy másik héjról • Belső konverzióa magból kilépő gamma kvantum helyett egy héjelektron lép ki („belső fotoeffektus”) • Auger-effektusegy karakterisztikusröntgen-kvantum helyett egy héjelektron lép ki („belső fotoeffektus”)

15. I0 I d A sugárzások abszorpciójának fenomenologikus leírása: Tömegabszorpciós tényező Felületi sűrűség

16. (A mai szabályozásban hivatalosan nem szerepel.) Definíció: X = dQ/dmlevegő • azonos előjelű töltések (ionpárok) száma • minden ion dV-n belül fékeződik le • csak levegőre definiált • csak gamma- és röntgensugárzásra értelmezzük Q mértékegység: C/kglevegő (régi egység: 1 röntgen = 2,58x10-4 C/kglevegő) Jelentősége: méréstechnikai, történeti

17. Definíció: D = dEelnyelt/dm

18. Eközölt a sugárzás által létrehozott primer ionok és elektronok összes kezdeti kinetikus energiájára vonatkozik. Jelentősége: méréstechnikaI (korrekt dózismérés), viszonylag jól számítható K és D kapcsolata:

19. Egyenérték dózis (korábban: dózisegyenérték – ilyen néven ma más fogalmak léteznek!) Jele: Ht mértékegység: J/kg (Sv, sievert) (régi egység: 1 rem = 0,01 Sv) Ht = wtDt A sugárzásra jellemző súlyfaktorok. * kivétel a DNS-ben kötött nuklidokból származó Auger-elektronok

20. Az egyenérték dózis jelentősége: • a sugárzás típusától függetlenül írja le a biológiai hatásokat • egyes szövetekre vonatkozik De! egy biológiai egyedre nézve nem vonható le egyértelmű következtetés új fogalom kell!

21. Effektív dózis Jele: E mértékegység: J/kg (Sv, sievert) E = ΣwtHt Szöveti súlytényezők (t: tissue) Jelentősége: - az egész testre kifejtett egészségkárosodás leírására használható (csak sztochasztikus hatásokra!)

22. A besugárzási dózis és az elnyelt dózis kapcsolata A Bragg-Gray elv Kapcsolatot teremt a levegőre mérhető besugárzási dózis (X) és az emberi testre érvényes elnyelt dózis között.

23. Az egy ionpár létrehozásához szükséges energiára vonatkozó korrekciós tényző levegő és testszövet viszonylatában A sugárzás és a testszövet eltérő kölcsönhatási valószínűségét korrigáló tényező. Az egy ionpár keletkezeséhez szükséges energia levegőben. Fontos: Egy ionizáló sugárzás veszélyességének a megítélésénél két paramétert kell számításba venni: Mekkora a kölcsönhatás valószínűsége? A kölcsönhatási esemény (ionizáció) során mekkora a közegnek átadott energia?

24. Gamma-sugárzás esetén az átadott energia széles energiaintervallumban állandó - mind levegőre, mind testszövetre -, a kölcsönhatás valószínűsége viszont lényeges energiafüggést mutat, ami a dózisállandó maximumgörbéjét eredményezi. A gyűszűkamra elve: Ha a gázionizációs detektorunk aktív térfogata olyan kicsi, hogy bármely mérete a töltőgázban érvényes elektronokra vonatkozó szabad úthossznál is kisebb, akkor az ebben a térfogatban észlelt ionizációs sűrűség jellemző lesz a körülvevő (célszerűen testszövetanalóg) anyagra, így a körülvevő anyagban, mint kondenzált fázisban érvényes "besugárzási dózis" mérése valósítható meg. Az illető anyagra vonatkozó egy ionpár képződéséhez szükséges elnyelt energia ismeretében az elnyelt dózis számítható.

25. Dózisállandók Technikailag fontosak: -összefüggés a közegbe belépő részecskék száma vagy az adott aktivitású sugárforrástól mért távolság és a kiváltott dózis között. Példák: Gamma- sugárzás

26. Neutronsugárzás Bétasugárzás

27. Integrál dózis Dózisintenzitás (dózisteljesítmény) Lekötött dózis Kollektív dózis

28. A dózismérés főbb elvei 1. Gázionizációs dózismérők A sugárzások detektálása gázionizációs elven: ! A sugárzás detektálása és a dózis mérése lényegesen különböző feladat. A kijövő jel (ionáram) arányos az elnyelt energiával, azaz a dózissal, de túl kicsi. A mért beütésszám gammasugárzás esetén széles energiaintervallumban arányos a dózissal. A mért (itt már részecskénként önálló) jel amplitúdója arányos lehet az elnyelt energiával megfelelő számlálógáz esetén. Így gammaenergia mérhető, radionuklidok azonosíthatók, a dózis ez alapján számítható.

29. K özönséges GM - cső jelleggörbéje ulzusszám/gray Fém burkolatú GM - cső jelleggörbéje Ideális jelleggörbe Imp 200 keV Gammaenergia 1.a. A GM-csöves dózisintenzitás-mérő - Közvetlenül csak külső gammadózis mérésére használható, mivel ott teljesül az elnyelt energia kvantumenergiától való igen csekély függése. Így a GM-cső számlálási sebessége arányos a dózisintenzitással! Komplikáció: Alacsony energiáknál a gamma-anyag kölcsönhatási valószínűség jelentősen eltér a testszövet és a GM-csövet alkotó anyagok esetén. A "túlmérés" oka: fotoeffektus a cső belső falán.

30. 1.b. Az ionizációs kamrás dózisintenzitás-mérők A "klasszikus" levegőfalú hordókamra: A besugárzási dózis mérését definíciószerűen megvalósító eszköz: Az ionizáció mérésénél az aktív detektortérfogatba belépő és az onnan kilépő töltéshordozók száma egyezzen meg egy bizonyos hibahatáron belül, (szekunderelektron-egyensúly)

31. 2. Kalorimetrikus dózismérő • Közvetlen elnyeltdózis-mérést tesz lehetővé • főként nagy dózisokra alkalmas • bármilyen sugárzásra • etalonként használatos hőszigetelés T1 T2 vákuum T1-T2 = ΔT≈ D

32. 3. Kémiai elven működő dózismérők Kitekintés: a víz radiolízise Primer folyamatok: H2O H2O·+ + e- ionizáció H2O H2O* gerjesztés • ionizációs küszöbenergia: ~ 13 eV) • gerjesztési küszöbenergia: ~ 7,4 eV) Primer specieszek, figyelembe véve a gerjesztett állapot homolitikus bomlását hidrogén és hidroxil gyökre: H2O*, H2O+, HO·, H· és eaq–

33. Tipikus reakciók: HO· + HO· → H2O2 HO· + eaq−→ OH− HO· + H· → H2O H+ + eaq−→ H· eaq−+ eaq− + 2H2O → H2 + 2OH− eaq−+ H· + H2O → H2 + OH− H· + H· → H2 Nagy LET-értékű sugárzások esetén további reakciók: HO· + H2O2 → H2O + HO2· eaq−+ H2O2 → HO· + OH− A bruttó reakció kis LET érték esetén: 2H2O H2 + H2O2 nagy LET-érték esetén: 2H2O 2H2 + O2

34. Sugárkémiai hozamok különböző sugárzások esetén: Az egyes specieszek detektálása többnyire spektrofotometriás úton lehetséges:

35. HO· + Fe2+OH− + Fe3+ H2O2 + Fe2+HO· + OH− + Fe3+ H· + O2 HO2 H+ + Fe2+ + HO2H2O2 + Fe3+ 3. a) A Fricke-doziméter Elv: Ismervén a víz radiolízisének termékeit azok mérése nehézkes, ezért olyan reakciópartnert keresünk, amely ezekkel reagálva kényelmesen mérhető anyagot szolgáltat. Kénsavas vas(II)-szulfát oldat: G(Fe3+) = 3G(H·) + G(HO·) + 2G(H2O2) G(Fe3+) = 15,5 A Fe3+ mennyisége, és így az elnyelt energia titrálással meghatározható. • viszonylag nagy dózisokra jó • túl nagy dózisok esetén az oldott oxigén elfogyása miatt az érzékenység csökken • szerves szennyezések zavarnak

36. A módosított Fricke-doziméterben az oxigén okozta problémák kiküszöbölésére CuII-szulfát adalékot alkalmaznak: H· + Cu2+ H+ + Cu+ HO2· + Cu2+ H+ + Cu+ + O2 Cu+ + Fe3+ Cu2+ + Fe2+ G(Fe3+) = 0,66 Az oxigén szerepét részben a réz veszi át, cserébe kisebb a hozam, de éppen nagy dózisok esetén ez nem jelentős hátrány. (Mi az új bruttó reakció?)

37. etanol + aceton + klórbenzol besugárzás bifenil, klórozott benzol és bifenil,…. sósav! GCl- = 5,00 ±0,05 ion/100 eV 3. b)Alkoholos klórbenzol doziméter A keletkező ionok lehetővé teszik a kiértékelést - titrálással - nagyfrekvenciás konduktometriás méréssel (a H+ nagy mozgékonyságát kihasználva) 3. c) Dózisindikátorok Általában a sugárzás hatására történő elszíneződésen alapulnak. -sav keletkezése indikátor jelenlétében -műanyagok vagy egyéb szigetelő kristályok hibaszerkezet létrejöttével kapcsolatos színváltozása

38. n, β, γ UV látható fény RFL-anyag Exponálás Kiolvasás 4.) Szilárdtest-dozimetria 4.a) Filmdozimetria Elve a közönséges fényképészeti eljáráséval analóg: AgBr kémiai bontásának radiofotolitikus inicializálása Szcintillátor adalék (sugárzás látható fény fémAg) 4.b) Radiofotolumineszcenciás (RFL) dozimetria RFL-anyagok: ezüst- és bórtartalmú üvegek ("Yokoba-üveg")

39. n, β, γ hő elektronok TSEE-anyag Exponálás Kiolvasás n, β, γ hő látható fény TLD-anyag Exponálás Kiolvasás 4.c) Termikusan stimulált elektronemissziós dozimetria (TSEE) A besugárzás hatására "fellazított" elektronok kifűtésén és mérésén alapszik. TSEE-anyagok: BeO-alapú kerámiák Az előző két módszer előnyeit ötvözi a 4.d) Termolumineszcens dozimetria (TLD)

40. A csapda energianívók élettartama legalább hónapos-éves nagyságrendű, egyébként a doziméter "felejt". Néhány TLD-anyag jellemzői: Dózisproporcionális tartomány (Gy) Kifűtési hőmérséklet (oC) Anyag PILLE-doziméter magyar szabadalom, űrkutatási alkalmazás Nagy dózisoknál: szupralinearitás

41. 5. Aktivációs neutrondoziméter • Általános problémák: • az ismert neutrondoziméterek vagy csak termikus, vagy csak gyors neutronokra érzékenyek • biológiai hatást tekintve legveszélyesebb az epitermikus tartomány • a neutronenergiák mérése nehézkes az elektromos töltés hiánya miatt • elv: A neutronok által kiváltott magreakciók során keletkező szekunder részecskék/sugárzások intenzitásából, vagy az aktivációs termékek aktivitásából lehet a dózisra következtetni. Termikus neutronok esetén: BF3- os számlálócső: Lil-szcintillátor: Gyors neutronok esetén: SF6-os számlálócső:

42. A neutronoktól származó dózis számítása az energiaspektrum ismeretében empirikus formulával lehetséges (Gyn-1cm-2): 6. Nyomdetektorok A meghatározás menete: 1. Fólia vagy emulzió besugárzása 2. Maratás lúggal vagy savval a részecskék okozta lyukak megnagyobbítása végett 3. A lyukak mikroszkóp alatti számlálása Elsősorban a neutrondozimetriában van jelentősége.

43. - Becquerel, bőrpír észlelése • 1902 - az első sugárrák esetek • pl.: Hamburg, 359 orvos esik áldozatul a röntgensugárzásnak (még nem radioaktív sugárzás!) • A belső sugárterhelés áldozatai: • Ra-tartalmúóraszámlap-festékkel dolgozók New Jersey­ben • 1927 - a genetikai hatások felismerése Az ionizáló sugárzások biológiai hatásai

44. A hatásmechanizmus: - fizikai szakasz ~10-13 s direkt vagy inidirekt energiaelnyelődés abiomolekulákban aktiválódás (elektronikus), ionizáció - fizikai-kémiai szakasz – 10-10 s intramolekuláris energiaátadás, gyökreakciók nagyenergiájú gyökök és ionok diffúziója és reakciója biomolekuIákkal - kémiai szakasz - 10-6 s biológiailag aktív molekulák reakciói, új molekuláris kötések kialakulása - biológiai szakasz ~ ....percek évek.... anyagcserezavarok, látható elváltozások, betegségek, halál sejtszinten: a sejtfal áteresztőképessége a sejtplazma viszkozitása fehérjék kicsapódása a DNS tördelődése*, bázishiányok, keresztkötések kialakulása *ennek mértéke baleset esetén utólagos dózisbecslésre alkalmazható

45. A biológiai hatások osztályozása: Genetikai Szomatikus Egy populáción jelentkezik Egy biológiai egyeden jelentkezik Determinisztikus Sztochasztikus A károsodás súlyossága függ a dózistól. Van küszöbdózis, ami alatt determinisztikus károsodás nincs. pl.: szemlencse-homály, bőrpír A károsodás valószínűsége függ a dózistól. Nincs küszöbdózis, a legkisebb dózis is károsnak tekintendő. pl.: rák, általános életkor-rövidülés

46. Determinisztikus és sztochasztikus hatások rövid idő alatt elszenvedett viszonylag nagy dózis esetén: A sugárzás hatása Elnyelt dózis A sztochasztikus hatások bizonytalansága kis dózisoknál: Relatív kockázatnövekedés Egyenérték dózis (mSv)

47. Nagy dózisok hatása: fehéregereken végzett kísérlet:

48. Emberek esetén (megtörtént balesetek és Hirosima-Nagaszaki alapján): Effektív dózis* (Sv) *akut besugárzás esetén az effektív dózis csak közelítésként kezelhető!

49. A sugárbetegség tünetei:

50. Kis dózisok egészségkárosító hatása • Mutációk • Muslicákon tanulmányozták • dózisteljesítmény-független • lineárisan változik, továbbá nincs küszöbdózis és nincs toleranciadózis • Az ember esetén tapasztalt genetikailag szignifikáns dózis 1,2-1,5 mSv (a természetes háttéren felül). • Rák • Nagyobb népességre először uránbányászokon észlelték: • kb. 50-szeres tüdőrákelőfordulás • A hiroshimai bombázás statisztikai felméréséből: • a leukémia gyakorisága: 10-4 eset x év-1 x Gy-1