For Mel Sam Ling

Noter til ´´Radioaktive isotoper og ioniserende stråling´´

Pensum-oversigt

Isotopteknik 1Sidetal: Emne:1 – 12 Sporstofmetoder. Anvendelse og eksempler23 – 31 Biologisk sporstofteknik med stabile og ustabile isotoper33 – 45 Atomets opbygning. Nuklider. Masse og energi74 – 77 Ladede partiklers ionisering af stof (direkte og indirekte ionisering)83 – 87 Elektromagnetisk stråling (EMS)88 – 98 Andre strålingstyper + Radioaktive henfald + Nuklidkort113 – 114 Dannelse af frie radikaler135 – 155 Radioaktive henfald157 – 209 Kvantitativ beskrivelse af det radioaktive henfald211 – 230 Strålekilder232 – 257 Åbne radioaktive kilder + Isotop fremstilling308 – 325 Radioaktiv affaldshåndtering327 – 343 Strålingsdetektorer (GM-rør, NaI og væskescintillator)349 – 392 Pulstælling + Målestatistik397 – 436 Målestatistik441 – 464 Isotoptabel

Kursus i helsefysikSidetal: Emne:7 – 13 Radioaktivitet og ioniserende stråling (kursorisk)13 – 66 Ioniserende strålings vekselvirkning med stof + Strålingsdoser + Målemetoder.

Strålingsbiologi + Strålingsbeskyttelsesnormer + Praktisk strålingsbeskyttelse.69 – 91 Ekstern / Intern bestråling + Arbejdshygiejne + Menneskets strålingsmiljø

ØvelsesvejledningSidetal: Emne:35 – 46 Øvelse 1: Pulstælleudstyr (GM-rør)51 – 62 Øvelse 2: Målestatistik67 – 79 Øvelse 3: Absorption af β-stråling87 – 107 Øvelse 4: Brug af faststofscintillationstæller, γ-spektrometri119 – 128 Øvelse 5: Monitering, strålehygiejne131 – 142 Øvelse 6: Væskescintillationstælling I, β-spektrometri153 – 159 Øvelse 7: Autoradiografi163 – 168 Øvelse 8: Neutronaktivering175 – 187 Øvelse 9: Væskescintillationstælling II, fejlkilder

Vejledning om strålebeskyttelse ved arbejde med åbne radioaktive kilder (2003)Sidetal: Emne:

1 – 35 Lovgivning + Dosisgrænser & dosisovervågning + Praktisk strålebeskyttelse Kontrolmåling og rengøring + Uheld mm.

Anvendelse af åbne radioaktive kilder på sygehuse, laboratorier m.v. (2000) – kursorisk!Sidetal: Emne:

1 – 37 Bekendtgørelse (lovtekst). Bla. Oversigt over standardtilladelser

Dosisgrænser for ioniserende stråling (1997) – kursorisk!Sidetal: Emne:

1 – 20 Bekendtgørelse (lovtekst) om tilladte doser og dosisgrænser

Formelsamling

Grundlæggende fysik1) Sammenhæng mellem massetal (A) og atomnummeret (Z) (s. 37-38)

Z = antallet af protoner i kernen (og dermed også lig antallet af elektroner)A = antallet af protoner og neutroner

Antal neutroner = A – Z

2) Sammenhæng mellem masse (m) og energi (E) (s. 42 – 43)

E = m ∙ c2 (c: lysets hastighed = 2,9979 ∙ 108 m/s)

Indsættes massen i kg, fås E i enheden J (joule)

1 eV = 1,602 ∙ 10-19 J

3) Sammenhæng mellem energi (E), frekvens (ν) og bølgelængde (λ) for elektromagnetisk stråling (s. 36 – 37+83 – 87)

E = h ∙ ν = h ∙ (h: Plancks konstant = 6,6256 ∙ 10-34 J∙s eller 4,1354 ∙ 10-15 eV∙s)

Ioniserende stråling: Energi > 25 eV

Bruges ca. 34 eV pr. dannet ionpar ved ionisering

4) Ladede partiklers ionisering af stof (s. 74 – 77)K: Kraften

K = z: partiklens ladning

r: afstanden mellem partikel og elekktrone: elektriske elementarladning: 1,602 ∙ 10-19 C

Den tilstrækkende eller frastødende kraft (K), hvorved en partikel med (z) enhedsladninger påvirker absorbermaterialets elektroner i afstanden (r) er givet ved overstående ligning.

Grundlæggende radioaktivitet5) Sammenhæng mellem aktivitetsenheder (s. 172)

1 Ci = 3,7 ∙ 1010 Bq = 37 MBq 1 Bq: 1 disintegration pr. sek.

1 Bq = 2,70 ∙ 10-11 Ci = 27 pCi

Bq er således en meget lille enhed, mens Ci er en meget stor enhed!

5.1) Sammenhæng mellem aktivitet (A) og specifik aktivitet (SA)

SA = SA: [Bq/mol], A: [Bq] og stofmæmgde: [mol]

6) Henfaldsligningen for et radioaktivt henfald (s. 164 – 167)

At = A0 ∙ e – λ ∙ t A: Aktivitet (Bq: disintegrationer pr. sek.)λ: Henfaldskonstanten (tid-1)t: tid (år, dage, timer, min, sek)

7) Bestemmelse af tiden (t) for et given henfald

t = = A: Aktivitet (Bq: disintegrationer pr. sek.)

λ: Henfaldskonstanten (tid-1)t: tid (år, dage, timer, min, sek)

8) Halveringstiden for et radioaktivt stof (s. 167 – 172)

T½ = [s / min / dage, år]

[s-1 / min-1 / dage-1]

T½ slås op i isotoptabel (Appendix A)

9) Middellevetiden ( ) for en radioaktiv kerne er givet ved: (s. 171)

[s / min / dage, år]

10) Sammenhæng mellem aktivitet og antal atomkerner (s. 176 + 328)

Nt = A: [Bq] og λ: [s-1]

Nt = N0 ∙ e – λ ∙ t Nt: Antal radioaktive atomer til tiden t

mol (Nt) = For at bestemme antal mol ud fra antal atomer,

divideres med NA = 6,023 ∙ 1023 atomer /mol

massen (Nt) = n ∙ M [g]

11) Antal kernehenfald (ΔN) i løbet af en given tidsperiode (Δt) der henfalder (s. 168 – 169)

12) Den samlede aktivitet (A) af en blanding af radionuklider (s. 182 – 184)

A = A0 (1) ∙ e-λ(1) ∙ t + A0 (2) ∙ e-λ(2) ∙ t

Såfremt begge radionuklider måles med samme tælleeffektivitet, gælder det tilsvarende for implushastighederne (r):

r = r0 (1) ∙ e-λ(1) ∙ t + r0 (2) ∙ e-λ(2) ∙ t

13) Sammenhæng mellem biologisk-, fysisk- og effektivhalveringstid (s. 194 - 198)

T½,eff = eller T½,bio. =

T½,eff.: Effektive halveringstidT½, bio.: Biologiske halveringstid (bliver typisk opgivet)T½, fys.: Fysiske halveringstid (Appendix A)

14) Sammenhæng mellem udskillelseskonstanterne (s. 194 – 198)

λeff = λbio + λfyseller

15) Sammenhæng mellem energifluxen (eller strålingsenergien, Q) der udsendes ved henfald (s. 199-205)

E: strålingsenergi pr. disintegration

A0: Aktiviteten til tiden 0.

StrålingsfysikFor elektroner (β-partikler)

16) Strålingens gennemtrængnings evne (s. 213 – 215)

R = p ∙ R1 R: Rækkevidden i fladevægt [mg / cm2]R1: Lineære rækkevidde [cm]

p: Absorber materialets massefylde [mg / cm3]

Jo større massefylde, jo mindre lineære rækkevidde

17) Rækkevidden for elektroner (herunder β-partikler)

R = 412 ∙ E1,265 – 0,0954 ∙ ln E (for 0,01 < E < 3 MeV)

Energien skal indsættes som MeV. Resultatet får enheden [mg/cm2] !!!!! → divider med massefylden!!!(Hvis der er tale β-stråling, indsættes Emax, maksimal rækkevidde, og der fås Rmax)

18) Halveringstykkelsen d½, for elektroner er givet ved

d½ = 40 ∙ Emax1,14 [mg/cm2] (Emax skal indsættes i MeV)

19) Brøkdelen (f) af energien som bliver til bramsestråling efter β-stråling

f = 3,5 ∙ 10-4 ∙ Z ∙ Emax Z: absorbermaterialets atomnummerEmax: Maksimal energi i MeV

For elektromagnetisk stråling (γ-stråling / røntgen-stråling)

19) Halveringstykkelsen for elektromagnetisk stråling, d½ er givet ved

D½ = eller som fladevægt: d½ = (Øvelse 4)

20) Svækkelsesligning for et parallelbundt af elektomagnetisk (EMS) stråling er

I = I0 ∙ e- µ ∙ d d: absorbertykkelsenµ: svækkelseskoefficientI0: intensiteten i det usvækkede strålebundtI: intensiteten af det svækkede strålebundt

21) Den ækvivalente dosishastighed (h) i afstanden (r) fra en punktformet EMS kilde

h = : dosishastighedskonstanten (se side 25, Helsefysik)

A: punktkildens aktivitet [Bq]r: afstanden til kilden [m]h: ækvivalente dosishastighed [Sv/s]

22) Sammenhæng mellem dosishastigheden (h) og transmissionsfaktoren (T)

T = Aflæs dernæst på figurerne side 72-74 i Helsefysik

Måletekniske beregninger

23) sammenhæng mellem baggrundskorrektion og tælleeffektivitet samt impulstal (s. 368)

rnetto = r - rb = ε ∙ A rnetto: Virkelige impulserr: Målte impulser

rb: Baggrunds impulser

ε: TælleeffektivitetenA: Aktiviteten i prøven

24) Den gennemsnitlige observerede impulshastighed (ΔM) i måleperioden (Δt) giver følgende r (s. 372 – 374)

A = (relative aktivitet)

25) Sammenhæng mellem antal målte impulser (r) og dødstidstabet (τ) og det faktiske antal impulser (R)

(Husk samme enheder)

26) Den forventede tællehastighed (r) ved en given dødstidstab og faktiske impulser (R)

r = (Husk samme enheder)

27) Det relative dødstidstab, Δ% mellem målte impulser (r) og det faktiske impulstal (R) (s. 363)

(Husk samme enheder)

28) Sammenhæng mellem maksimale impulshastighed ved kendt dødstidstab og maksimale tilladelige fejl (Δmax)

rmax = (Δmax indsættes i %-tal, fx 2 %)

29) Godhedsfaktoren (G) er givet ved:

G = jo større, jo bedre (øvelse 4)

ε: mellem 0 og 1rb: er baggrunden i ips

30) Geometri-faktoren(g) kan bestemmes ud fra følgende formel:

(se øvelse 1)

b: afstanden mellem prøve og detektor vindue (cm)c: radius af detektor vindue (cm)

Målestatistik:

31) Impulshastighed: r =

32) Spredningen: sr = (samme enhed som r)

Det samlede resultat kan herefter skrives: r ± sr

33) Den relative spredning: srel = eller i %:

34) Beregning af den antal impulser (ΔM) som der skal opsamles for at få en relativ spredning i %

ΔM = Generelt: 1% relativ spredning = 10000 ip

5 % relativ spredning = 400 ip

35) Statistik på samlet størrelser Såfremt et radioaktivt præparat giver ΔM impulser i tidsrummet Δt, og baggrundsmålingen tilsvarende giver ΔMb impulser i tidsrummet Δtb, så bliver nettoimpulshastigheden og den absolutte spredning på denne hh.

rnet = z = x ± y

sr (net) = (s. 406) sz =

Dosismetri

Fysiske størrelser:36) Absorberet dosis (d) pr. masse enhed

d = A: aktiviteten [Bq]

: Middelenergien af emitteren (J) 1 eV = 1,602 ∙ 10-19 Jm: massen på organet (eller 70 kg)d: [J/kg = Gy]

37) Absorberet dosishastighed pr. masse enhed

d = A: aktiviteten [Bq]

: Middelenergien af emitteren (J) 1 eV = 1,602 ∙ 10-19 Jm: massen på organet (eller 70 kg)t: tiden (dage, min, sek.d: [J/kg = Gy/s]

38) Dosishastigheden til tiden t er givet ved:Den initielle dosishastighed (absorberet dosis pr. tidsenhed) i et organ kaldes d0. [Gy/s]

dt = d0 ∙ e- λeff ∙ t dt: [Gy/s]λ: effektive udskillelseskonstant [sek-1]

39) Den akkumulerede dosis (D) i tidsrummet Δt kan – under forudsætning om 1. ordens kinetik

d = λeff: effektive udskillelseskonstant [sek-1] (s. 195)

d: [J/kg = Gy]

Biologiske størrelser40) Ækvivalente dosis (H) er givet ved helkrop: (Additive!!!)

HT = wR ∙ d d: Absorberet dosis i organ/helkrop : [J/kg = Gy]wR: strålingsvægtfaktor (tabelværdi, se side 21 i Helsefysik!)HT: Sv

41) Effektive dosis-organ (Additive!!!)

E = HT ∙ wT wT: vævsvægtningsfaktor (tabelværdi, se side 11 i bek. 823)HT: Helkropsdosis [Sv]

42) Committede effektive dosis - helkrop

Effektive dosis = Indtaget aktivitet [Bq] ∙ dosiskoefficienten [Sv/bq]

Fremstilling af radionuklider

43) Aktiveringsudbyttet ved neutronaktivering

N: antal radioaktive kerner

Ø: indfangningstværsnittetλ: hanfaldskonstanten for produktetNTarget: antal target atomer

A = σ ∙ NTarget ∙ ø ∙ (1 – e-λ∙t) A: aktiviteten i targets materialet

Cancer risiko

44) Cancer-risikoen er givet ved: (s. 12 i vejledning)

Cancer risiko = Årlig dosis ∙ (4 ∙ 10-5) ∙ Person-størrelse

1 ud af 25000 for cancer ved 1 mSv

Strålehygiejne

Persondosimeter skal anvendes hvis der er mulighed ofr at modtage 3/10 af 20 mSv/år (dvs. over 6 mSv)

Biologiske stråleskaderDeterministiske: - Akutte skader

- Skaden etableres hurtigt efter bestrålingen- Tærskelværdi kendes- Skadens omfang stiger med dosis- Skaden kan henføres til et konkret tilfælde af bestråling

Stokastiske: - Senskader- Skadens etableres på et senere tidspunkt- Ingen tærskelværdi- Skadens omfang er uafhængig af dosis- Sandsynligheden for at skaden opstår, er dosisafhængig- En skade kan ikke henføres til et specielt tilfælde

Affaldshåndtering1) Dosishastigheden må IKKE overskride 7,5 µSv/h på opbevaringsstedet2) Dosishastigheden må IKKE overskride 2,5 µSv/h på arbejdspladser i nærheden3) Gå ud fra figuren i bekendtgørelsen

Radioaktive henfaldsprocesser

Type Proton-status (Z)

Stråling Energi type Energi størrelse Beskrivelse

α Z – 2 Diskret Karakteristisk for hver enkelt henfald

Kun for meget tunge atomer

β- Z + 1 Elektron (e- ) Kontinuert Afhænger af forholdet mellem elektronen og neutrino

For isotoper under stabilitetslinien

β+ Z – 1 Positron Kontinuert Afhænger af forholdet mellem elektronen og neutrino

For isotoper over stabilitetslinien

(γ-stråling) Z Elektromagnetisk Diskrete Karakteristisk for hver enkelt henfald

1) Fotoelektrisk effekt2) Compton effekten3) Par dannelse

IT (γ-stråling) Z Elektromagnetisk Diskrete Karakteristisk for hver enkelt henfald

Skyldes dannelsen af en meta-stabil kerne efter et henfald.

EC Z – 1 Røntgen-stråling eller Auger-elektroner

Diskrete Karakteristisk for hver enkelt henfald

Kernen indfanger en elektron fra atomets elektronsystem og

omdanner en proton til en neutronIC Z Røntgen-stråling eller Auger-

elektronerDiskrete Udsendte elektrons energi = γ-

strålingens energi – elektronen bindingsenergi

Energi som skulle være frigjort ved γ-stråling, bliver absorberet af

egen elektron uden om kernen. Elektronen frigøres

Annihalilationsstråling

Z Elektromagnetisk efter β+ stråling Diskrete Altid 2 x 0,511 MeV Sker efter β+-stråling. Skyldes sammenstød mellem positron og

elektronBremsestråling

Z Elektromagnetisk stråling efter β-, β+

samt ved udsendelse af EC/IC + Auger-elektroner

Kontinuert Karakteristisk for hver enkelt henfald

Opstår under opbremsning af hurtigt ladet partikler