Section 1 - Open Computing Facilitydoonyapo/Section_1.pdf · 2011-05-27 · นิยามของพลังงานนิวเคลียร์. 5 • นิวเคลียสเป

1

Section 1

Asst. Prof. Dr. Doonyapong Wongsawaeng

2111201ความรทวไปทางดานรงสและพลงงานนวเคลยร

Nuclear Technology DepartmentChulalongkorn University

นยามของพลงงานนวเคลยร

2

• พลงงานเปนสงจาเปนในการดารงชวตของสงมชวต ไมวาจะอยในรปของพลงงานแสง เสยง ความรอน หรอในรปอนๆ

• แหลงพลงงานหลกๆ ทใชกนในปจจบนไดแก พลงงานจากถานหน นามน กาซธรรมชาต ชวมวล แสงแดด ลม และนา เปนตน

• นอกจากนยงมพลงงานอกประเภทหนง ซงเกดจากธรรมชาตเชนกน แตเพงมการคนพบจากการทดลองทางวทยาศาสตร นนคอพลงงานนวเคลยร ซงถอไดวาเปนพลงงานทยงใหญตามทฤษฎ Big Bang และเปนบอเกดของพลงงานชนดอนทงปวงดงทไดกลาวมาขางตนอกดวย


3


4

• พลงงานนวเคลยร มแหลงกาเนดมาจากนวเคลยส• นวเคลยสคออะไร?• ทกๆ สงทอยรอบตวเรา ไมวาจะเปน โตะ ดนสอ ปากกา นาฬกา จาน ชาม ชอน

อากาศ รวมถงตวเราดวย ประกอบไปดวยอนภาคทมขนาดเลกมากทไมสามารถมองเหนดวยตาเปลา เรยกวา อะตอม หรอ ปรมาณ

• อะตอมมขนาดประมาณ 10-10 เมตร ซงประกอบดวย นวเคลยส อยตรงกลาง และมอนภาคอเลกตรอน เคลอนทรอบๆ นวเคลยส

• และในนวเคลยส ประกอบดวยอนภาคโปรตอนกบนวตรอน (ยกเวน H)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/23/Helium_atom_QM.svg�


5

• นวเคลยสเปนตนกาเนดของพลงงานนวเคลยร ซงมได 3 ลกษณะคอ

1. ปรากฏการณกมมนตภาพรงส (Radioactivity)• เปนปรากฏการณทเกดขนไดเองตามธรรมชาตของนวเคลยสของธาต

กมมนตรงส ซงเปนธาตไมเสถยร จะเกดการเปลยนแปลงของนวเคลยสโดยการแผพลงงานออกมาเปนรงสชนดตางๆ เชน อนภาคแอลฟา อนภาคบตา อนภาคนวตรอน และรงสแกมมา

• การปลอยพลงงานออกมานทาใหนวเคลยสมเสถยรภาพมากขน• สามารถนาเอาพลงงานนวเคลยรประเภทน กคอรงสตางๆ ไปใชประโยชนให

เหมาะกบวตถประสงค เชนการฉายรงสอาหารดวยรงสแกมมา การตรวจวนจฉยและรกษาโรคตางๆ


6

2. การแบงแยกนวเคลยสของธาตหนกเปนนวเคลยสทเลกลง (Fission)• ดงเชนทเกดในเชอเพลงยเรเนยมเสรมสมรรถนะทใชในโรงไฟฟานวเคลยร• พลงงานความรอนทไดจากการแบงแยกนวเคลยส นาไปผลตไอนาสาหรบปน

เครองกาเนดกระแสไฟฟาเพอผลตกระแสไฟฟา


7

3. การรวมตวของนวเคลยสของธาตเบา (Fusion)• ทเกดในธรรมชาตคอปฏกรยาบนดวงอาทตย• นวเคลยสของอะตอมไฮโดรเจนหลอมรวมกนเปนนวเคลยสของอะตอมฮเลยม• ปจจบนประเทศชนนาทางเทคโนโลยกาลงรวมมอกนสรางเครองปฏกรณ

นวเคลยรทผลตพลงงานจากปฏกรยาฟวชน เพอเปนพลงงานแกโลกในอนาคต

8

ชนด คณสมบต และแหลงกาเนดรงส

9

Ionizing radiation and non-ionizing radiation

Non-ionizing radiation is a low energy EM wave that cannot cause ionization in materials such as heat, light, sound, RF, microwave, and UV. However, they may cause cellular damage when received in large quantity such as UV burnIonizing radiation is a high energy EM wave such as gamma ray, X-ray and particles (α, β, p, n, fission fragments). They cause ionization of materials (eject electron(s) from orbit to form ion pairs) and can cause cellular damage by breaking chemical bonds, or materials damage by displacing atoms from their regular lattice positions

ionizing

10

Types of radiation and shielding

Alpha radiation (α): positively charged helium nucleus emitted by a large (Z > 82) unstable nuclei (U, Pu, Th, etc). Massive particle, but has a short range in air (1-2 cm) and can be stopped completely by paper or skin (and become helium gas atom). Alpha radiation can be hazardous if it enters the body by inhalation or ingestion, because large exposure can result in nearby tissues, such as

the lining of the lung or stomach.

11

• Typical energy = 4-8 MeV

• Limited range < 10 cm in air, 60 µm in tissue

• High LET (Quality Factor = 20) causing heavy damage (alpha

radiation is the most ionizing radiation)

• LET (Linear Energy Transfer) refers to rate at which energy of

radiation is transferred to medium in units of keV/micron.

• More LET means more energy transfer to the medium per distance

and, consequently, more damage to the medium

More on alpha radiation

Common alpha sources

13


Beta radiation (β): electron or positron (same mass as electron but with positive charge) emitted by an unstable nucleus. Much smaller with lower LET than alpha particles, so it can penetrate further into materials or tissues. Beta radiation can be absorbed complete by a sheet of plastic, glass, or metal. It does not normally penetrate beyond the top layer of skin. However, large exposures to high-energy beta emitters can cause skin burns and damage to eye lens. Such emitters can also be hazardous if inhaled or ingested. Common in research: H-3,

C-14, S-35, P-32, Sr-90, Tl-204

14

• There are 3 hydrogen isotopes: protium (H), deuterium (D) and radioactive

tritium (T)

• Tritium is radioactive with a half-life of 12.3 years and a biological half-life of

~ 10 days.

• Low-energy (avg. 5.7 keV) beta decay (3H 3He + β-).

Tritium

15

High pressure tritium gas is sealed inside these small glass vials. The emitted low-energy beta radiation

impacts a special phosphor coating on the inside of the tube, causing it to grow

green.

Tritium

16

• Typical energy = several keV up to 5 MeV

• Wide range of energy levels:– Tritium (H-3) only 0.0186 MeV Max, can’t travel through air to reach

your skin

– P-32 is toasty (1.71 MeV Max), can travel across the room to get you

• Range ~ 12 ft/MeV in air, a few mm in tissue

• Low LET (Quality Factor = 1) causing light damage

• High speed electrons may lose part of their energy in the form of X-rays when they quickly decelerate upon striking a heavy material

• This is called Bremsstralung (or Breaking) Radiation.• High Bremsstrahlung energy is from high electron energy and high

atomic # (z) of absorber.

• So aluminum and other light (z < 14) materials such as plastics are

used for beta shielding

• This is important for x-rays production in conventional x-ray tubes.

More on beta radiation

Bremsstrahlung

• Bremsstrahlung, from bremsen = "to brake" and Strahlung =

"radiation", i.e. "braking radiation" or "deceleration radiation", is

electromagnetic radiation produced by the acceleration/deceleration

of a charged particle, such as an electron, when deflected by

another charged particle, such as being attracted by an atomic

nucleus.

Shielding of β- from P-32

High Z materials such as lead block βparticles but allow production of X-rays!

Low Z materials like plastic are much safer shielding materials against β particles.

Beta particle energy range – the Q value is shared between the beta particle and the neutrino

Endpoint energy

1.71 MeV

Maximum energy

Origin of beta particle:from negatron decay

Negatron decay Excess Neutron turns into Proton (most beta-

emitters are produced by n bombardment of stable isotopes in a reactor, thus the nucleus has an excess neutron)

A stays the same, Z goes up +1, element changes

Neutrino emission accompanies decay Example: C-14 becomes N-14

beta particle

1.1.3 Positron (positive electron of continuous energy)

Positron emission Excess proton turns into neutron (thus positron

emitters are often produced in a particle accelerator such as cyclotron, which can accelerate proton to collide with target element)

Proton gains negative charge, becomes neutron To conserve charge, positive electron is emitted A stays the same, Z goes -1, element changes Neutrino emission accompanies decay Example: Na-22 becomes Ne-22 Positron is hardly detected because

after it is slow down, annihilation withelectron occurs which liberates 2 gamma rays

positron

Auger electrons• X-ray or gamma ray can cause ejection of an electron.

• A hole is created and an electron in the higher orbital falls to fill in

the hole, emitting a characteristic X-ray.

• This X-ray may be transferred directly to one of the outer electrons,

causing it to be ejected called Auger electron.

• Energy = Atomic excitation energy (char. X-ray) - binding energy.

• Auger electrons produce a discrete energy spectrum.

• Energy is low compared to beta particles or conversion electrons

because it is favored in low-Z elements as binding energies are low.

• A typical few keV initial E is subject to self-absorption and can be

stopped by very thin source covers or detector entrance windows.

• Example of applications: elemental analysis of a very thin surface

layer.

24

Types of radiation and shieldingGamma radiation (γ): very high energy photon emitted from an unstable nucleus that is often emitting a beta particle at the same time. Causes ionization in atoms when it passes through matter, primarily due to interactions with electrons. Can be very penetrating and only a substantial thickness of dense materials such as steel, lead (1 in.) or heavy concrete (8 in.) can provide good shielding. Gamma radiation can therefore deliver significant doses to internal organs without inhalation or ingestion. Very high penetration capability because it has no charge, no mass, and low LET. Examples: Co-60, Cs-137

Gamma radiation

• Gamma radiation is emitted by excited nuclei, often by beta decay.

• There is no pure, gamma emitting radioisotopes.

• Beta decay has half-life, while de-excitation occurs in the order of

picoseconds or less.

• Gamma ray, therefore, appears with a half-life characteristic of a

parent decay, but with energy of daughter de-excitation.

• Gamma-ray reference sources for radiation measurement normally

consists of samples of radioisotopes of a few microcuries encased in

plastic disks or rods.

• Encapsulation thickness is large enough to stop any particulate

radiation from parent nucleus decay.

• The only radiation emitted is gamma radiation produced in daughter

decay.

Gamma Rays Following Beta Decay

1.17 MeV

1.33 MeV

27

Cobalt-60• śŽşĹą₣ź-60 ćąń₣ś¾ĂĹŀ şăĿÐęŇćÐśąĚľ ĚăŐĹř· Ů¾śąĚľ śŽşĹą₣źğŇů

şăăðőŢŞ pellet ğŻŀ ¾ŰďĂřĚąŮł ţ ăŰęŞń· ŢŞřŽăŐůĹÐĆ¹ ńł ă¼źŞńďřŽąŇĂăźğŇů· Ň neutron flux ęŔÐť řýůŞ ęŔÐ· ŀ ł ł ďůŀ 105 n/cm2-s ĚăŐĹĹŀ şăĿÐęŇŢŞŚł ŞĆ¹ ńł ă¼źŠĹÐśăÐţ đđŰŀ ŞńďřŽąŇĂăźşŀ ÐŚşş ŚąŰďðňÐŞŻŀ · ŀ Ćăľ ł ĹşřŠŰŀ řĆŮŞŚğůÐť řăŇĂł ďůŀ source pencil Śąľ řĹŀ source pencil · ŀ Ćăľ ł ĹşřĆŮŞŚćÐł Żŀ řŞń¾ăĿÐęŇ řăŇĂł ďůŀ source plane ĚăŐĹ· Ŀ¾ŚĚąůÐł Żŀ řŞń¾ăĿÐęŇ ŢĚŰ· ŇŽďŀ · ŚăÐăĿÐęŇ· ŀ ł ₣ŀ · ₣ŰĹÐł ŀ ă

• śŽşĹą₣ź-60 ŢĚŰč ąĿÐÐŀ ŞăĿÐęŇŚł · · ŀ 2 č ąĿÐÐŀ ŞŽŐĹ 1.17 Śąľ 1.33 MeV · ŇŽůŀ ŽăňůÐý Ňďń₣ 5.26 ĆŇ

Gamma sources

28

Gamma sources

60Ni*

60Ni*

29

Cs-137• ÞŇřÞŇĂ· -137 ćąń₣ś¾Ăł ŀ ăęł Ŀ¾ðŀ ł řý ŐŰĹřč ąńÐŞńďřŽąŇĂăźŢý ŰŚąŰď ś¾Ă· Ň

yield Ćăľ · ŀ ¼ 6.2% ŢŞ U-235 Śąľ 6.6% ŢŞ Pu-239 Ś₣ůřďąŀŚĂł ĹĹł · ŀ ðľ · ŇŽďŀ · ŚăÐăĿÐęŇðŻŀ řč ŀ ľ ą¾ąÐţ Ćł ďůŀ 3 řğůŀ Ćăľ · ŀ ¼ 20-25 Ci/g řŞŐůĹÐðŀ ł ĞŔł řðŐĹĆŞ¾ŰďĂ Cs-133 ÞňůÐřĆŮŞţ ĹśÞśğĆřęĞŇĂă Śąľ Cs-135 ğŇů· ŇŽůŀ ŽăňůÐý Ňďń₣Ăŀ ď· ŀ ł (2.3x106 ĆŇ)

• Cs-137 ŢĚŰřÝč ŀ ľ ăĿÐęŇřş₣ŀ Śąľ daughter ŽŐĹ Ba-137m ŢĚŰăĿÐęŇŚł · · ŀ

• ţ · ůŞńĂ· Ţý Ű· ŀ ł ŞĿł ŢŞĹő₣ęŀ Ěł ăă· řŞŐůĹÐðŀ ł · ŇĹŻŀ Şŀ ðğľ ąőğľ ąďÐ₣Żůŀ ł ďůŀ Co-60 ĞňÐŚ· Űðľ · ŇŽůŀ ŽăňůÐý Ňďń₣Ăŀ ďł ďůŀ (30.23 ĆŇ) ŞĹł ðŀ ł ŞŇŰř· ŐůĹęąŀ Ă₣ĿďŢĚŰăĿÐęŇŚł · · ŀ řč ŇĂÐ 1 photons/disintegration Cs-137

• · ŇŠŰĹ¾ŇğŇů₣ŰĹÐł ŀ ă biological shield ĚŞŀ ŞŰĹĂł ďůŀ Co-60 ðňÐ· Ŀł ğŻŀ ŢĚŰřĆŮŞ mobile irradiator ðňÐęľ ¾ďł ğŇůðľ ₣ń¾₣ĿŰÐşŞăĞşăăğőł řŽąŐůĹŞğŇů

Gamma sources

30

Gamma sources

31


X-rays are high-energy photons, like gamma radiation. They are produced artificially by the deceleration (or acceleration) of an electron beam, such as firing an electron beam at a metal target. X rays are similarly penetrating and, in the absence of shielding by dense materials, can deliver significant does to internal organs. Gamma rays typically have higher energy (MeV's) than X-rays (keV's). X-rays and gamma rays are low LET

32


Neutron radiation (n) is a neutron emitted by an unstable nucleus, in particular during fission and fusion reactions. Because they are electrically neutral, they can be very penetrating and when they interact with matter or tissue, they cause the emission of beta and gamma radiation. Neutron radiation therefore requires heavy shielding to reduce exposures. Free neutrons are unstable and will decay into proton and beta particle with half

life 12 mins. Fast n = high LET

33

• Because neutrons has no charge and can only efficiently transfer

energy by collision with atoms with similar mass to neutron

(hydrogen), it can be very penetrating similar to gamma radiation

• Neutron shielding can be materials with high hydrogen content, for

example, paraffin, polyethylene, concrete, water

• Several feet of water or concrete are required to stop most of them

• Example of sources: Cf-252, Pu-240 (both spontaneous fission),

Am(α,n)Be, Pu(α,n)Be neutron sources.

• Pu/Be is most widely used.

More on neutron radiation

Neutrons

Spontaneous fissions• Many transuranic heavy nuclides have an appreciable spontaneous

fission decay probability.

• Several fast neutrons are emitted in each fission event, so a sample

of such radionuclide can be a simple and convenient neutron

source.

• Other products are heavy f.f., prompt gamma ray, beta and gamma

activity of f.p. accumulated within the sample.

• The source is generally encapsulated in a sufficiently thick container

so that only fast neutrons and gamma rays are emitted.

Neutrons

Radioisotope (α,n) sources• Alpha particles can be conveniently obtained from radioisotopes.

• The maximum neutron yield is obtained when beryllium is chosen as

the target:

2α4 + 4Be9 6C12 + 0n1 Q = + 5.71 MeV

• Most of alpha particles are stopped in the target, and only 1 in ~ 104

reacts with beryllium nucleus.

Neutrons

Photoneutron sources• Some gamma emitter can be used to produce neutron when

combined with an appropriate target material.

• The photoneutron source is based on supplying sufficient excitation

energy to the target nucleus by absorption of gamma ray to allow

emission of free neutron.

• Be-9 and H-2 are practical significant sources:

hν + 4Be9 4Be8 + 0n1 Q = -1.666 MeVhν + 1H2 1H1 + 0n1 Q = -2.226 MeV

• Only gamma rays with at least the Q energy is required to make the

reaction energetically possible.

• If gamma rays are monoenergetic, neutrons are also nearly

monoenergetic.

Neutrons

• The main disadvantage is the large gamma-ray activity.

Construction of a simple spherical photoneutron source

Neutron sources Base on spontaneous fission or nuclear reactions or fusion Examples:

Q-value

98Cf252 M105 + N145 + 2 0n1 (2.65 y, 3.0%) + 195 MeV

2α4 + 4Be9 6C12 + 0n1 + 5.71 MeV

hν + 4Be9 4Be8 + 0n1 -1.666 MeV

hν + 1H2 1H1 + 0n1 -2.226 MeV

1H2 + 1H2 2He3 + 0n1 + 3.26 MeV

1H2 + 1H3 2He4 + 0n1 + 17.6 MeV

Delayed Neutron Emission A few fission products undergo decay and emit

neutrons, but half life is too small to be a practical laboratory n source:

87Br (55 seconds)

β-

87Kr*

86Kr + n

40

อนตรกรยาของรงสกบสสาร

41

There are 4 important types of gamma ray interaction with matter, depending on the energy of gamma ray:

• Photoelectric Effect

• Compton Scattering• Pair Production• Photonuclear Reactions• In addition, there are two processes with very small energy

transfer:• Thomson (elastic) scattering on a ‘free’ electron, redirection of

low energy photon without change in energy

• Raleigh (coherent) scattering results from combined (coherent) action of an atom as a whole.

Interaction of gamma ray with matter

42

• Occurs predominantly when gamma ray or X-ray carries energy < 0.1 MeV

• Photon transfers the entire energy to the inner orbital electron

• The incident photon disappears

• The photoelectron is ejected

from the atom with kinetic

energy:

Ek = energy of photon –

binding energy

Photoelectric Effect

43

K L M

Photoelectron

X-ray

44

• For gamma ray of sufficient energy, the most probable origin of photoelectron is the most tightly bound or the K-shell electron.

• As the photoelectron is ejected, a vacancy is produced in the atomic orbital which is then filled with an electron from a higher atomic orbit.

• This process results in the emission of a characteristic X-ray, which is itself absorbed in the material.


45

• Probability of photoelectric ≈ const*(Zn/E3) • n can be from 3 for low energy gamma to 5 for high

energy gamma

• It can be seen that chance of photoelectric effect occurring increases with lower gamma energy and with higher Z number

• This effect is important for < 1 MeV gamma incident on high Z materials (so lead is good for gamma ray shielding).


46

• Occurs predominantly when gamma ray or X-ray carries energy > 0.1 MeV

• Most prominent interaction mechanism for gamma-ray energies typical of radioisotope sources

• Photon transfers part of its energy to the outer shell electron

• The Compton electron is ejected from the atom

• It continues until it recombines with matter

• The incident photon leaves the atom with lower energy making an angle with the incident direction

Compton scattering

47

Scattered photon

Compton’s electron

48

Probability of Compton scattering ≈ const*(Z/E)

49

• Occurs when gamma ray energy >= 1.022 MeV in the presence of an atomic nucleus to provide a coulomb field

• Positron-electron pair is created and the remaining gamma ray energy is transferred to the newly created pair

• The positron energy will be attenuated in the matter

• Once it collides with orbital electron, the two will annihilate, giving out two gamma rays each with 0.511 MeV energy travelling on the opposite side

• Probability of pair production

≈ const*Z2(E-1.2)

• Dominant for high Z materials

with > 5 MeV gamma ray

Pair production

50

gamma 0.511 MeV

gamma 0.511 MeV

Negative electron

Positron

annihilation

Pair production

51

Major types of gamma interaction w.r.t Z and photon energy

52

• The gamma ray photon interacts with the nucleus directly: (γ,n), (γ,p), (γ,2n), (γ,α), (γ,f), etc.

• These are threshold reactions, meaning that the incident photon must possess energy high enough to overcome the binding energy of the ejected nucleon

• Need at least several MeVs of photon energy (x-ray normally has energy in the keV range, gamma ray normally has energy in the MeV range, so predominantly for gamma ray)

• For example, 206Pb(γ,n)205Pb, Emin = 8 MeV

Photonuclear Reactions

53

Photonuclear Reactions

54

• Occurs with x-ray energies < 10 keV

• Incoming x-ray photon strikes an atom and is absorbed – the atom gets excited

• The same amount of energy is released in another x-ray emitting in a different direction

• In essence, this is simply a redirection of x-ray; the x-ray energy remains the same

Elastic and coherent scattering

55

Coherent Scattering


Compton Scattering

Pair Production

Photonuclear reactions

56

Interaction of alpha and beta particles with matter

Beta Positron

Alpha

57

• Neutron has no charge, so it can travel far into matter

• Five types of interaction

– Elastic scattering

– Inelastic scattering

– Transmutation

– Radiative capture

– Fission

Interaction of neutron with matter

58

• This is analogous to billiard ball collision

• A neutron particle collides with the nucleus, transfers some energy to it, and bounces off in a different direction

• The target nucleus gains the energy lost by the neutron, and then travels off

• This is the underlining mechanism for radiation damage in matter

• If the neutron collides with a massive nucleus, it rebounds with almost the same speed and loses very little

energy

• Light nuclei will gain a lot of energy

and will therefore be more effective

for slowing down neutrons

• Elastic scattering is not effective

in slowing down neutrons with

very high energy (> 150 MeV)

Elastic scattering – (n,n)

59

• A neutron strikes a nucleus and is temporarily absorbed, forming an unstable compound nucleus in an excited state

• It then de-excites by emitting another neutron of lower energy, together with a gamma photon, which takes the remaining energy

• This process is most effective at high neutron energies in heavy materials

Inelastic scattering – (n,n')

60

• A nucleus may absorb a neutron forming a compound nucleus, which then de-energizes by emitting a charged particle, either a proton or an alpha particle

• This produces a nucleus of a different element

• These nuclear reactions are most likely to occur when the energy of the incident particle is between a few MeV and several tens of MeV.

• (Transmutation is the transformation of one element into another by a nuclear reaction)

Transmutation – (n,p), (n,α)

61

1n 10B 7Li

0.478 MeV gamma

4He

Neutron and Boron

62

• This is one of the most common nuclear reactions

• The neutron is absorbed into the nucleus

• The compound nucleus formed emits only a prompt gamma photon

• In other words, the product nucleus is an isotope of the same element as the original nucleus and are usually radioactive and are beta and gamma emitters

• This reaction, which occurs in most materials, is the most important one for neutrons with very low energy

Radiative capture – (n,γ)

63

1n 113Cd 114Cd

9 MeV gamma

Neutron and Cadmium

64

1n

157Gd

0.13 MeV gamma

158Gd

Neutron and Gadolinium

65

• While bombarding heavy nuclei with neutrons, a highly excited compound nucleus might be formed

• It might split into two nuclei, releasing energy and more neutrons

• This is the fundamental process for generating thermal energy in nuclear reactors

Fission

6666

An interior view of the RPV with fuel bundles removed

RPV of PWR is ~20 m high, 4 m in diameter and ~22 cm thick.

6767

The reactor core

The harmless blue light, called Cerenkov Radiation, originates from energetic particles traveling at a speed greater than the speed of light in the water. As it slows down, it emits the blue glow.

6868

Callaway nuclear power plant

6969

Civaux nuclear power plant, France(1,500 MWe)

7070

Diablo Canyon Nuclear Power Plant, San Louis Obispo, CA, USA

7171

72

ผลทางชววทยาของรงส

73

• Nuclear radiation, unlike the radiation from a light bulb or a microwave, is energetic enough to ionize atoms by knocking off their electrons.

• This ionizing radiation can damage DNA molecules directly, by breaking the bonds between atoms, or it can ionize water molecules and form free radicals, which are highly reactive and also disrupt the bonds of surrounding molecules, including DNA.

• If radiation changes DNA molecules enough, cells can’t replicate and begin to die, which causes the immediate effects of radiation sickness -- nausea, swelling, hair loss.

• Cells that are damaged less severely may survive and replicate, but the structural changes in their DNA can disrupt normal cell processes -- like the mechanisms that control how and when cells divide.

• Cells that can’t control their division grow out of control, becoming cancerous.

How does ionizing radiation affect cells?

74

• The absorption of energy from ionizing radiation produces damage on DNA by direct and indirect actions (chemical bonds breaking).

• For direct action, damage occurs as a result of ionization of atoms on key molecules in the biologic system. This causes inactivation or functional alteration of the molecule. This occurs by photoelectric and Compton interactions. Ionization occurs at all radiation qualities but is predominant at high LET radiations. Absorption of energy sufficient to remove an electron can result in bond breaks.

• Indirect action involves the production of reactive free radicals from water molecules whose toxic damage on the key molecule results in a biologic effect (most abundant molecules in human is water). Predominate with low LET radiation. Electrons interact with water to form OH radicals (2/3 of x-ray biological damage).

• (A free radical is an electrically neutral atom with an unshared electron in the orbital position. The radical is highly reactive.)

How does ionizing radiation affect cells?

75DNA is found in every cell and consists of molecules that determine the function that each

cell performs. When radiation interacts with a cell wall or DNA, the cell either dies or becomes a different kind of cell, possibly even a cancerous one.

76

77

78

Chromosomal deletions

Chromosomal translocations

79

Actual photograph of human chromosomes in a cell that had received gamma ray treatment. Some are intact, others show breaks (indicated by arrows) produced by radiation. The piece which has broken off will be lost when the cell divides. Number of chromosome breaks depends on radiation dose.

http://www.ratical.org/radiation/CNR/PP/chp3.html

80

81

Mitotic (reproductive) death: Irradiation of the cell causes cell death at mitosis as a result of the inability to divide.

82

Radiation hit cell nucleus

No change

DNA mutation

Source: “RADIATION PROTECTION IN NUCLEAR MEDICINE,” IAEA

Chemically active substances can be formed which in some cases alter the structure of the cells. These alterations may be the same as those changes that occur naturally in the cell and may have no negative effect.

83

DNA MutationCell survives but mutated

Cancer?

Cell death

Mutation repaired

Unviable Cell

Viable Cell

Source: “RADIATION PROTECTION IN NUCLEAR MEDICINE,” IAEA

84

• Biological membranes serve as highly specific mediators between the cell and the environment.

• Alterations in the proteins that form part of a membrane’s structure can cause changes in its permeability to various molecules, i.e., electrolytes.

• In the case of nerve cells, this would affect their ability to conduct electrical impulses.

• In the case of lysosomes (ถงเลกภายในบรรจดวย hydrolytic enzyme ทาหนาทเปน

ระบบยอยอาหารภายในเซลล), the unregulated release of its catabolic enzymes into the cell could be disastrous.

• Ionizing radiation has been suggested as playing a role in plasma membrane damage, which may be an important factor in cell death

• (เลอดมสวนประกอบหลายอยาง อนไดแก Plasma หรอน าเลอด เมดเลอดแดง เมดเลอดขาว และเกรดเลอด)

Radiation induced membrane damage

85

• Young and rapidly dividing cells (high division rates) are more sensitive to ionizing radiation than cells with adult development

• Radiosensitivity (RS) = probability of a cell, tissue or organ of suffering an effect per unit of dose

• Cell DNA is the critical target for biological radiation damage

Radiosensivity

High RS Medium RS Low RS

Bone MarrowSpleen (มาม)

Thymus (ตอมไรทอ)

Lymphatic nodes (ตอม

นาเหลอง)Gonads (อณฑะ,รงไข)

Eye lensLymphocytes (exception to

the RS laws)

SkinMesoderm

organs (liver, heart, lungs…)

MuscleBones

Nervous systemLiver

Kidney

86

• A rough calculation shows that dose from natural radiation results in one ionization in the DNA-molecule in every cell in the body each year.

• Certain enzymes are checking the DNA strings and initiate a repair process.

• Cells can repair the damage if it is limited.

• Even damage to the chromosomes is usually repaired.

• Many thousands of chromosome aberrations (changes) occur constantly in our bodies.

• We have effective mechanisms to repair these changes.

• Thousands of dead cells are eliminated from the human body every day, and thus the body has a certain tolerance for it when radiation adds to the natural toll.

Cell repair

87

• Radiation sickness is damage to your body caused by a very large dose of radiation often received over a short period of time (acute).

• The amount of radiation absorbed by the body — the absorbed dose — determines how sick you'll be.

• Radiation sickness is also called acute radiation sickness, acute radiation syndrome or radiation poisoning.

• Common exposures to low-dose radiation, such as X-ray or CT examinations, do not cause radiation sickness.

• Although radiation sickness is serious and often fatal, it's rare.

• Since the atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki, Japan, during World War II, most cases of radiation sickness have happened after nuclear industrial accidents, such as the 1986 nuclear reactor accident at a power station in Chernobyl, Ukraine.

Radiation Sickness

Adopted from: http://edition.cnn.com/HEALTH/library/radiation-sickness/DS00432.html

88

• The severity of signs and symptoms of radiation sickness depends on how much radiation you've absorbed.

• How much you absorb depends on the strength of the radiated energy and the distance between you and the source of radiation.

Absorbed dose and duration of exposure• The absorbed dose of radiation is measured in a unit called a gray

(Gy).

• Diagnostic tests that use radiation, such as an X-ray, result in a small dose of radiation — typically well below 0.1 Gy, focused on a few organs or small amount of tissue.

• Signs and symptoms of radiation sickness usually appear when the entire body receives an absorbed dose of at least 1 Gy.

Radiation Sickness -- Symptoms

89

• Doses greater than 6 Gy to the whole body are generally not treatable and usually lead to death within two days to two weeks, depending on the dose and duration of the exposure.

Initial signs and symptoms• The initial signs and symptoms of treatable radiation sickness are

usually nausea and vomiting.

• The amount of time between exposure and when these symptoms develop is an indicator of how much radiation a person has absorbed.

• After the first round of signs and symptoms, a person with radiation sickness may have a brief period with no apparent illness, followed by the onset of new, more serious symptoms.

• In general, the greater your radiation exposure, the more rapid and more severe your symptoms will be.


90


91

When to see a doctor• An accident or attack that causes radiation sickness would no doubt

cause a lot of attention and public concern.

• If an event occurs, monitor radio, television or online reports to learn about emergency instructions for your area.

• If you know you've been exposed to radiation, seek emergency medical care.


92

• Radiation sickness is caused by exposure to a high dose of radiation

Sources of high-dose radiation• Possible sources of high-dose radiation include the following:

– An accident at a nuclear industrial facility

– An attack on a nuclear industrial facility

– Detonation of a small radioactive device

– Detonation of a conventional explosive device that disperses radioactive material (dirty bomb)

– Detonation of a standard nuclear weapon

• Radiation sickness occurs when high-energy radiation damages or destroys certain cells in your body.

• Regions of the body most vulnerable to high-energy radiation are cells in the lining of your intestinal tract, including your stomach, and the blood cell-producing cells of bone marrow.

Radiation Sickness -- Causes

93

• When a person has experienced known or probable exposure to a high dose of radiation from an accident or attack, medical personnel take a number of steps to determine the absorbed radiation dose.

• This information is essential for determining how severe the illness is likely to be, which treatments to use and whether a person is likely to survive.

• Information important for determining an absorbed dose includes:

– Known exposure. Details about distance from the source of radiation and duration of exposure can help provide a rough estimate of the severity of radiation sickness.

– Vomiting and other symptoms. The time between radiation exposure and the onset of vomiting is a fairly accurate screening tool to estimate absorbed radiation dose. The shorter the time before the onset of this sign, the higher the dose is. The severity and timing of other signs and symptoms may also help medical personnel determine the absorbed dose.

Radiation Sickness – Tests and diagnosis

94

– Blood tests. Frequent blood tests over several days enable medical personnel to look for drops in disease-fighting white blood cells and abnormal changes in the DNA of blood cells. These factors indicate the degree of bone marrow damage, which is determined by the level of an absorbed dose.

– Dosimeter. A device called a dosimeter can measure the absorbed dose of radiation but only if it was exposed to the same radiation event as the affected person.

– Survey meter. A device such as a Geiger counter can be used to survey people to determine the body location of radioactive particles.

– Type of radiation. A part of the larger emergency response to a radioactive accident or attack would include identifying the type of radiation people have been exposed to. This information would guide some decisions for treating people with radiation sickness.

Radiation Sickness – Tests and diagnosis

95

• Radiation sickness itself doesn't cause long-term medical problems for those who survive the illness.

• However, the radiation exposure that caused the immediate radiation sickness does significantly increase a person's risk of developing cancer later in life.

• Having radiation sickness could also contribute to both short-term and long-term mental health problems, such as grief, fear and anxiety about:

– Experiencing a radioactive accident or attack

– Mourning friends or family who haven't survived

– Dealing with the uncertainty of a mysterious and potentially fatal illness

– Worrying about the eventual risk of cancer due to radiation exposure

Radiation Sickness – Complications

96

• Radiation sickness treatment is aimed at preventing further radioactive contamination, managing organ damage, reducing symptoms and managing pain.

Decontamination• This phase of radiation sickness treatment removes external

radioactive particles to the greatest extent possible.

• Removing clothing and shoes eliminates about 90 percent of external contamination.

• Gently washing with water and soap removes additional radiation particles from the skin.

• Decontamination at the start of radiation sickness treatment prevents further distribution of radioactive materials and lowers the risk of internal contamination from inhalation, ingestion or open wounds.

Radiation Sickness – Treatments and drugs

97

Treatment for damaged bone marrow• A protein called granulocyte colony-stimulating factor, which

promotes the growth of white blood cells, is used in radiation sickness treatment to counter bone marrow damage.

• This protein-based medication, which includes filgrastim (Neupogen) and pegfilgrastim (Neulasta), may increase white blood cell production and help prevent subsequent infections.

• If you have severe damage to bone marrow, radiation sickness treatment may also include transfusions of red blood cells or blood platelets.


98

Treatment for internal contamination• Some radiation sickness treatments may reduce organ damage

caused by radioactive particles.

• Medical personnel would use these treatments only if you've been exposed to a specific type of radiation.

• These treatments include the following:

– Potassium iodide. This is a nonradioactive form of iodine. Because iodine is essential for proper thyroid function, the thyroid becomes a "destination" for iodine in the body. If you have internal contamination with radioactive iodine (radioiodine), your thyroid will absorb radioiodine just as it would other forms of iodine. Treatment with potassium iodide may fill "vacancies" in the thyroid and prevent absorption of radioiodine. The radioiodine is eventually cleared from the body in urine.


99

– Prussian blue. This type of dye binds to particles of radioactive elements known as cesium and thallium. The radioactive particles are then excreted in feces. This treatment speeds up the elimination of the radioactive particles and reduces the amount of radiation cells may absorb.

– Diethylenetriamine pentaacetic acid (DTPA). This substance binds to metals. DTPA binds to particles of the radioactive elements plutonium, americium and curium. The radioactive particles pass out of the body in urine, thereby reducing the amount of radiation absorbed.


100

Supportive treatment• If you have radiation sickness, you may receive additional

medications or interventions to treat: Bacterial infections, headache, fever, diarrhea, nausea and vomiting, dehydration.

End-of-life care• A person who has absorbed large doses of radiation (6 Gy or

greater) has little chance of recovery.

• Depending on the severity of illness, death can occur within two days or two weeks.

• People with a lethal radiation dose will receive medications to control pain, nausea, vomiting and diarrhea.

• They may also benefit from psychological or pastoral care.


101

ผลของรงสทสามารถสงเกตได อาจแบงออกอยางกวาง ๆ ได 2 แบบ คอ

1. Deterministic effects

ผลทางชววทยาเนองจากการไดรบรงสสวนใหญจะเปนแบบ Deterministic effects

เชน

– Blood change (การลดลงของจานวนเมดโลหต)

– Erythema (การเกดผนแดงทผวหนง)

– Cataract (การเกดตอกระจก)

โดย

– จะตองไดรบปรมาณรงสเกนระดบ Threshold จงจะสามารถสงเกตผลโดย

เฉพาะทเกดขนได

– ขนาดของผลทเกดขนจะเพมขนตามขนาดของปรมาณรงสทไดรบ

– มความสมพนธทแนนอนระหวางปรมาณรงสทไดรบกบผลทสงเกตได

ผลของรงสทมตอมนษย

102

2. Stochastic effects (Linear, Zero-threshold dose response effects)

ตามความหมายของ Stochastic แลวจะหมายถง “occur by chance” (เกดโดยการ

สม) ดงนนผลของรงสแบบนจงขนอยกบโอกาส การไดรบรงสจะทาใหโอกาสใน

การเกดผลเพมมากขน เชน มนษยเราอาจเปนมะเรงไดแมวาจะไดรงรงสหรอไม

ไดรบกตาม แตการไดรบรงสอาจเปนการเพมโอกาสในการเปนมะเรงใหมากขน

ยงไดรบรงสมากขน โอกาสเปนมะเรงกจะยงมากขน แตเราไมทราบความสมพนธ

ทชดเจนระหวางการเกดมะเรงและการไดรบรงส เราเพยงแคคาดคะเนโอกาสของ

การเกดมะเรงเนองจากการไดรบรงสเทานน

เราอาจสรปความแตกตางระหวาง Deterministic และ Stochastic effects ได

ดงน

Deterministic effects – ความรนแรงจะเกยวของกบปรมาณรงสทไดรบ

Stochastic effects – โอกาสทจะเกดขนจะขนอยกบปรมาณรงสทไดรบ

ผลของรงสทมตอมนษย

103

รปแสดง Dose-response curves โดย Curve A เปนการตอบสนองแบบ Deterministic

effects สวน Curve B เปนการตอบสนองแบบ Stochastic effects

104

มนษยเรามโอกาสในการรบรงสไดเปน 2 รปแบบ คอ

1. Acute exposure คอการไดรบรงสปรมาณสง ๆ ในชวงระยะเวลา

สนๆ เชน กรณเกดอบตเหตทางรงส ซงจะทาใหผลทเกดขนจาก

การไดรบรงสแบบน ปรากฏอาการขนในระยะเวลาไมนานหลงจาก

ไดรบรงส

2. Chronic exposure คอการไดรบรงสปรมาณนอย ๆ และไดรบ

ตดตอกนเปนระยะเวลานาน ๆ เชน การไดรบรงสของผทางาน

เกยวของกบรงส ซงผลทเกดขนจากการไดรบรงสแบบนอาจ

ปรากฏอาการหลงจากไดรบรงสแลวเปนเวลาหลายป

โอกาสในการรบรงส

105

รางกายของมนษยประกอบดวยเซลล 2 ชนด คอ

- Somatic cell เปนเซลลทประกอบกนเปนอวยวะและเนอเยอตาง ๆ

- Germ cell (เซลลสบพนธ) เปนเซลลทรบผดชอบในการถายทอดทางพนธกรรม

ดงนนเมอมนษยไดรบรงส ผลทเกดขนกบรางกายจงสามารถแบงเปน

ประเภทใหญ ๆ ได 2 ประเภท คอ

- Somatic effects

ผลกระทบตอรางกายของบคคลทไดรบรงส รวมถงผลกระทบตอเดกหลง

คลอดทไดรบรงสขณะอยในครรภมารดา

- Genetic effects (Hereditary effects)

ผลกระทบของรงสตอรหสพนธกรรมในเซลลสบพนธของผทไดรบรงส

แลวถายทอดลกษณะทางพนธกรรมไปยงรนถดไป

เซลลในรางกายมนษย

106

เปนผลทเกดขนกบรางกายของผไดรบรงส ซงสามารถแบงไดเปน 2 แบบ คอ

• Early effects หรอ Acute effects เปนผลทเกดขนเมอรางกายไดรบปรมาณรงสสง

ๆ ในชวงเวลาสน ๆ เราอาจแบงระดบอาการทเกดขน (acute radiation syndrome)

ไดเปน 3 กลมอาการ ขนกบปรมาณรงสทไดรบไดดงน

1.1 กลมอาการทางเลอด (Hemopoietic syndrome) เปนอาการทเกดขน

หลงจากไดรบรงสแบบ whole body acute exposure ประมาณ 2-10 Gy โดย

รงสจะไปกดการสรางเมดเลอดของ Bone marrow (ไขกระดกสนหลง) หรอ

อาจทาให Bone marrow หยดสรางเมดเลอด ซงขนอยกบปรมาณรงสทไดรบ

เกดอาการคลนไสและอาเจยนภายในเวลาหลายชวโมงหลงจากไดรบรงส ผท

ไดรบรงสจะรสกออนเพลยและเมอยลา และจะเกดผมรวงในระหวางสปดาห

ท 2-3 หลงจากไดรบรงส อาจมอาการเลอดไหลไมหยดและตดเชอไดงาย อาจ

เสยชวตภายใน 1-2 เดอน

Somatic effects

107

ผลของรงสทสาคญจะเกดขนท Bone marrow และระบบเลอด

– การกดการทางานของ Bone marrow จะเรมทปรมาณรงสประมาณ 2 Gy

– ทปรมาณรงสประมาณ 4 - 6 Gy Bone marrow จะหยดการสรางเมดเลอด แต

Bone marrow อาจกลบฟนขนมาไดเองถาผไดรบรงสสามารถรอดชวตไปได

– ทปรมาณรงส ประมาณ > 7 Gy Bone marrow จะถกทาลายอยางสนเชงโดย

ไมอาจกลบฟนขนมาไดอก

– สวนในระบบเลอด จะเกดการเปลยนแปลงของจานวนเมดเลอด เนองจาก

Bone marrow หยดสรางเมดเลอดหรอโดนกดการทางาน โดยการ

เปลยนแปลงน จะขนอยกบปรมาณรงสทไดรบ จานวนเมดเลอดขาวจะตามาก

โดย Lymphocyte (~ ¼ ของเมดเลอดขาวทงหมดและเพมขนเมอมการตดเชอ)

จะมจานวนนอยกวา 500 / nm3 ภายในวนแรกหรอวนท 2 หลงจากไดรบรงส

ซงจะทาใหมโอกาสตายเนองจากการตดเชอได เราเรยกการตายแบบนวา

Infection death

Somatic effects

108

1.2 กลมอาการทางระบบทางเดนอาหาร (Gastrointestinal syndrome) เปน

อาการทเกดขนหลงจากไดรบรงสแบบ whole body acute exposure ประมาณ

> 10 Gy โดยรงสจะไปทาลายเซลลเยอบลาไส จะปรากฏอาการทงหมดของ

Hemopoietic syndrome แตอาการคลนไสและอาเจยนจะรนแรงมากขน และ

จะเกดอาการทองรวง ซงอาจเกดขนหลงจากไดรบรงสแลวไมนาน ผทไดรบ

รงรงสสวนใหญจะเสยชวตภายใน 1 - 2 สปดาหหลงจากไดรบรงส เราเรยก

การตายแบบนวา Gastrointestinal death

Somatic effects

109

1.3 กลมอาการทางระบบประสาทสวนกลาง (Central Nervous Syndrome:

CNS syndrome) เปนอาการทเกดขนหลงจากไดรบรงสมากกวา 20 Gy จะ

เกดการทาลายระบบประสาทสวนกลางพรอม ๆ กบอวยวะอน ๆ ในรางกาย

จะเกดการหมดสตภายในระยะเวลาเปนนาทหลงจากไดรบรงส ผทไดรบรงส

อาจตายภายในเวลาเปนนาทหรอเปนวนหลงจากไดรบรงส เราเรยกการตาย

ในแบบนวา CNS death

Somatic effects

110

• อาการทเกดขนรวมกนของ acute radiation syndrome ทง 3 ระดบ คอ

– คลนไสและอาเจยน

– ออนเพลย และเมอยลา

– เปนไข

– การเปลยนแปลงของระบบเลอด

• ผลของรงสอน ๆ ทพบหลงจากไดรบรงสแบบ whole body acute exposure ไดแก

Erythema (ผนแดง) และ Sterility (เปนหมน)

Somatic effects

111

• ผลของรงสแบบ delayed effects นอาจเกดจากการไดรบรงสแบบ Acute หรอ

Chronic exposure ไดผลทเกดขนไดแก

1 การเกดมะเรง มะเรงทเกดขนเนองจากการไดรบรงสทพบมากไดแก

- มะเรงในเมดเลอด (Leukemia)

- มะเรงตอมไทรอยด (Thyroid cancer)

- มะเรงกระดก (Bone cancer)

- มะเรงผวหนง (Bone cancer)

2 ตอกระจก (Cataract) ผลของรงสแบบ delayed effects ทมตอนยนตาคอ

การเกดตอกระจก ซงอาจเกดจากการไดรบรงสแบบ Acute หรอ Chronic

exposure โดย Threshold dose ของการเกด cataract มคาประมาณ 15 Sv

Delayed effects หรอ Late effects

112

โอกาสเสยงของการเกดมะเรงชนดตางๆ เนองจากการไดรบรงสในอวยวะตางๆ

113

• เปนผลของรงสทเกดขนกบเซลทรบผดชอบในการถายทอดทาง

พนธกรรม (germ cell)

• เมอเซลเหลานไดรบรงส จะทาใหเกดการเปลยนแปลงของ DNA ใน

โครโมโซม และมผลตอการถายทอดทางพนธกรรมทาใหเกดความ

ผดปกตในรนลกหรอรนหลานได

Hereditary effects หรอ Genetic effects

114

กฎการสลายตวทางกมมนตรงส

115

• Half-life (t1/2) คอ ระยะเวลาทสารกมมนตรงสสลายตวไปครงหนงจากปรมาณทม

อยต งตน

– U-238 : 4.46 billion years

– Pu-239 : 24.1 thousand years

– H-3: 12.3 years

• การสลายตวของสารกมมนตรงสเปนไป

ดงสมการ

– N(t) คอ จานวนอะตอมทเวลา t

– N0 คอ จานวนอะตอมทเวลาเรมตน (t = 0)

– λ คอ คาคงทการสลายตวของสารกมมนตรงส มคาเทากบ ln(2)/t1/2

Half life

λt0eNN(t) −=

116

Number of half-life

N0

N0/2

N0/4N0/8

1 2 3

Num

ber o

f ato

ms

117

• หนวยของความแรงรงส ใช Becquerel : Bq

• 1 Bq หมายถง การสลายตวหนงครงตอวนาท (disintegration per second -- dps)

• ความแรงรงสในหนวยเกาใช คร (Curie : Ci) โดยท 1 Ci = 3.7×1010 Bq (หนวย

ใหม = 1 disintegration/s)

• 1 คร มคาเทากบอตราการสลายตวของ Ra-226 1 กรม ในเวลา 1 วนาท

หนวยความแรงรงส

118

• กาหนดคาครงชวตของ P-32 เทากบ 14.3 วน ความแรงรงสเรมตนคอ

250 µCi จงหาความแรงรงสเมอเวลาผานไป 6 สปดาห

• A(42 days) = 32.66 µCi

• สามารถคานวณความแรงรงสจากปรมาณอะตอมทมอยไดดวย

ตวอยางการคานวณเกยวกบความแรงรงส

λt0eAA(t) −=

]42)3.14/)2[(ln(e250days) A(42 ×−=

λN(t)A(t) =

119

Spontaneous fission

• เกดขนเองไดยาก เปนหนงในการสลายตวทางรงสของธาตกมมนตรงส

เชน Cf-252 (ใชมากสด ซงสลายตวทงแบบ Spontaneous fission และ

Alpha decay), Pu-240

• Cf-252: 1 ไมโครกรมสลายตว 6.14 x 105 ครงตอวนาท

• แตละครงในการแตกตวปลดปลอยนวตรอนหลายตว

Induced fission

• ยงอนภาคนวตรอนเขาไปชนกบนวเคลยสของอะตอมเพอเพมพลงงาน

กระตนใหกบนวเคลยส

• ทาใหพลงงานกระตนมากกวาคาพลงงาน critical energy ของอะตอมทา

ใหแตกตว

Nuclear fission reaction

Spontaneous fission

• Fission is asymmetric: light group and heavy group with average

mass number 108 and 143 (E~ 80 and 105 MeV).

• The fragment appears initially as positive ions with the net charge

approaching the atomic number of the fragment.

• As it slows down by interaction with materials, electrons are picked

up, reducing effective charge.

• Energy shared between two f.f. is ~ 185 MeV.

Spontaneous fission

Mass distribution of s.f.

122

Fissile nuclei

• เชน U-235, Pu-239

• เกดปฏกรยาฟชชนกบนวตรอนพลงงานตา (Thermal neutron)

• ดงนนในแกนปฏกรณนวเคลยรตองมตวหนวงความเรวนวตรอน

(Neutron moderator) ทเกดจากปฏกรยาฟชชน ทเปนนวตรอนพลงงาน

สง (Fast neutron) ใหมพลงงานตาพอทจะทาใหเกด Fission reaction

กบ Nuclei เหลานได โดยปกตใชน า

Fissionable nuclei

• เชน U-238, Pu-240

• เกดปฏกรยาฟชชนกบนวตรอนพลงงานสง (Fast neutron) เทานน

Nuclear fission reaction

123

• มวลรวมกอนทจะเกดปฏกรยาฟชชนเทากบ 234.9934 + 1.0087 =

236.0021 amu

• มวลรวมหลงจากเกดปฏกรยาฟชชนเทากบ 94.8984 + 138.8890 +

2.0174 = 235.8048 amu

• มวลหายไป = 0.1973 amu

• มวลทสลายไป 1.000 amu จะกลายเปนพลงงาน 931.5 MeV

• 0.1973 amu เปลยนไปเปนพลงงานเทากบ 0.1973×931.5 = 184 MeV

• สามารถเปลยนหนวยเปน Joules ไดโดย: 1 MeV = 1.6022×10-13 J

พลงงานทไดจากปฏกรยาฟชชน

n2 XeSr n U 10

13954

9538

10

23592 ++→+

124

• เปนการวดการแตกตวเปนประจอนเนองจากการถายเทพลงงานของ

รงสเอกซหรอรงสแกมมาในอากาศ ซงจะใชหนวยวดเปน เรนตเกน

(Roentgen) หรอ R

• “ปรมาณรงส 1 เรนตเกน เปนปรมาณรงสเอกซหรอแกมมา ททาให

อากาศแหง 1 ลกบาศกเซนตเมตร ณ ความดนและอณหภมมาตรฐาน

แตกตวเปนประจ 1 esu”

• SI unit : 1 R = 2.58×10-4 Coulomb/kilogram air

• (1 esu (electrostatic unit) = 3.336e-10 C)

ปรมาณรงสสมผส (Exposure dose)

125

• เปนปรมาณรงสทถกดดกลนไวในตวกลางทรงสเคลอนทผาน เดมใช

หนวย แรด (rad) ซงยอมาจาก radiation absorbed dose ใชสญลกษณ

rad โดยท “ปรมาณรงส 1 rad หมายถง ปรมาณรงสทถายเทพลงงาน

จานวน 100 ergs ใหแกตวกลางซงมน าหนก 1 กรม”

• 1 rad = 100 ergs/g = 0.01 J/kg

• ในปจจบนไดเปลยนมาใชหนวย เกรย (Gray) ซงเปนหนวยในระบบ

SI โดยท

• “ปรมาณรงส 1 เกรย หมายถง ปรมาณรงสทถายเทพลงงานจานวน 1

Joule ใหแกตวกลางซงมน าหนก 1 กโลกรม”

• 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad

ปรมาณรงสดดกลน (Absorbed dose)

126

• เนองจากรงสแตละชนดใหผลทางชววทยาตอเนอเยอของสงมชวต

แตกตางกน แมจะไดรบปรมาณรงสดดกลนทเทากน จงไดมการ

กาหนดปรมาณรงสขนมาอกชนดหนงเพอประโยชนในงานดานการ

ปองกนอนตรายจากรงส

• ปรมาณรงสชนดนนคอ ปรมาณรงสสมมลย ซงเปนหนวยทนาเอาผล

ทางชววทยาของรงสเขามาเกยวของดวย

• (Absorbed dose ทเทากนของรงสแตละชนด อาจสงผลทางชววทยาไม

เทากน เชน Alpha particle กอใหเกดอนตรายมากกวา beta particles,

gamma rays และ x rays ใน Absorbed dose ทเทาๆ กน)

ปรมาณรงสสมมลย (Equivalent Dose)

127

• HT,R = ปรมาณรงสสมมลยจากรงสชนด R ในเนอเยอหรออวยวะ T

• DT,R = ปรมาณรงสดดกลนเฉลยจากรงสชนด R ในเนอเยอหรออวยวะ T

• wR = คา Radiation weighting factor ของรงสชนด R

REM = RAD x Radiation weighting factor


RT,R DwH RT, ×=

128

129

• หนวยเดมของปรมาณรงสสมมลยคอ REM (roentgen equivalent man)

ตอมาไดเปลยนมาใชหนวย Sievert (Sv) ในระบบ SI unit โดยท

1 Sv = 100 rem


wR of neutron strongly

dependent on neutron energy

130

Summary

131

หลกของความปลอดภยทางรงส

132

Radiation warning sign

133

Supplementary symbol aims to help reduce needless deaths and injuries, launched 15 February 2007 by the IAEA and the International Organization for Standardization (ISO)

134

• ใชระยะเวลาปฏบตงานสนทสด (Minimize Time)

• อยหางตนกาเนดรงสมากทสด (Maximize Distance)

• มการกาบงรงส (Maximize Shielding)

• โดยมการปฏบตเพอใหปรมาณรงสทไดรบ As Low As Reasonably

Achievable (ALARA) = ใหไดรบรงสนอยทสดเทาทจะทาไดอยางมเหต

มผล

Golden Rules in Radiation Protection

135

• For the same dose rate, minimizing time means minimizing dose

received

• ใชเวลาในการทางานสนทสด เพอจะไดรบปรมาณรงสนอยทสด

Dose = Dose rate x time

= 50 mrem/hr x 1/2 hr

= 25 mrem

= 50 mrem/hr x 10 mins

= 8.33 mrem

Minimize time

136

Maximize distance

2

1

2

2

1

RR

DD

=

D1 = dose rate at distance R1 from the source

D2 = dose rate at distance R2 from the source

D1

R1

D2

R2

137

การกาบงรงสบตา

90Srพลาสตก ตะกว

• ตองคานงถงวสดทจะนามาใชเปน

วสดกาบง โดยควรเปนวสดทม

องคประกอบของธาตทมเลขอะตอม

(z) ตา

• การนาวสดประเภทโลหะหรอวสดท

มองคประกอบของธาตทมเลขอะตอม

สง มากาบงรงสบตาจะทาใหเกดรงส

เอกซแบบ Bremsstrahlung radiation

ขนมา

• ยงเลขอะตอมของวสดกาบงสงขน

เอกซเรยทเกดขนกจะยงสงขนดวย

138

การกาบงรงสแกมมา

Low energy gamma or x-ray

High energy gamma or x-ray

139

การเขาสรางกายของสารกมมนตรงส

• สารกมมนตรงสสามารถเขาสรางกายไดโดย

– Inhalation (ทางการหายใจเขาไป)

– Ingestion (ทางการกนเขาไปทางปาก)

– Absorption through the unbroken skin (ดดซมผานเขาไปทาง

ผวหนง)

– Absorption through the wound (ดดซมผานเขาไปทางผวหนงทเปน

บาดแผล)

inhalation

wounds absorption

ingestion103-5

140

การเขาสรางกายของสารกมมนตรงส

• ปรมาณรงสท Target tissue ไดรบจากการทสารกมมนตรงสไปสะสมอย

จะขนกบ

1. ปรมาณของสารกมมนตรงสทไปสะสมในอวยวะนน

2. ชวงระยะเวลาทสารกมมนตรงสนนอยในรางกาย

3. ชนดและพลงงานของรงสทสารกมมนตรงสนนปลดปลอย

ออกมา

141

Effective half-life

• ระยะเวลาทสารกมมนตรงสนนอยในรางกาย จะขนอยกบ Effective

half-life

โดยท

Teff = Effective half-life

Tr = Radioactive half-life

Tb = Biological half-life

br

breff

breff

TTTTT

T1

T1

T1

+=

+=

142

Biological half-life

• คอระยะเวลาทสารกมมนตรงสในเนอเยอ อวยวะ หรอรางกายลดลง

ครงหนง อนเนองมาจากกระบวนการทางชวภาพ

– Pu in liver : 40 years

– Pu in bone : 100 years

– Tritium (H-3) : 10 days

The biological half-life of tritium is about 10 days

0 Days 10 Days 20 Days 30 Days 40 Days 50 Days

100% 50% 25% 12.5% 6.25% 3.125%

143

Dose limits

• The International Commission on Radiological Protection, ICRP, is an

independent registered not-for-profit organization, established to advance for the

public benefit the science of radiological protection, in particular by providing

recommendations and guidance on all aspects of protection against ionizing

radiation

• ตาม 1990 Recommendations of ICRP (ICRP publication 60)ไดกาหนดขดจากด

ปรมาณรงส (Dose Limits) สาหรบผทางานดานรงสและบคคลทวไปเพอใหเกด

ความปลอดภยจากการใชประโยชนจากรงสในดานตางๆ ไวดงตอไปน

144

Dose limits

ผปฏบตงานทางรงส

(Occupational exposure)

บคคลทวไป

(Public exposure)

เฉลยทวรางกาย

(Effective dose)

เลนสตา

ผวหนง

มอและเทา (Extremities)

เดกในครรภ

5 ปตอเนอง รวมไมเกน 20 mSv โดยในป

ใดๆ ตองไมเกน 50 mSv/y

150 mSv

500 mSv

500 mSv

1 mSv ในระยะทเหลอของการตงครรภ

1 mSv/y

15 mSv

50 mSv

---

• Limit เหลานตงไวเพอใหมนใจวาบคคลจะไมไดรบความเสยงทางดานสขภาพจากรงส หาก

ปรมาณ Dose ทไดรบไมเกนกวาคาทแนะนาไว

• ไมม Limit สาหรบผปวยทใชรงสบาบดหรอวนจฉยทางการแพทย

145

การปองกนรงสระหวางปฏบตงาน

เพอปองกนไมใหสารกมมนตรงสเขาสรางกาย ในระหวางการทางาน

ควรปฏบตดงน1. สาหรบสารกมมนตรงสทไมปดผนก (unsealed source) ควรบรรจในภาชนะหรอทเกบท

เหมาะสม

2. ควรมการตรวจสอบการเปรอะเปอนทางรงสอยางสมาเสมอ

3. ควรสวมใสเสอผาและอปกรณปองกนทเหมาะสมทกครงทปฏบตงาน

4. ถาสารกมมนตรงสทใชหกหรอเปรอะเปอนในระหวางการทางานใหรบขจดในทนทอยา

ปลอยทงไว

5. มการกาหนดระเบยบการปฏบตงานในบรเวณทมโอกาสเกดการเปรอะเปอนทางรงสท

ชดเจนและเครงครด

6. ไมสบบหร ดมนา รบประทานอาหาร ใชเครองสาอาง หรอ ดด pipette ดวยปากในบรเวณท

มโอกาสเกดการเปรอะเปอนทางรงส

7. ลางมอใหสะอาดหลงการปฏบตงานทกครง

8. ตรวจการเปรอะเปอนทางรงสตวเองทกครงกอนออกจากบรเวณทปฏบตงาน

Documents

Section 1 - Open Computing Facilitydoonyapo/Section_1.pdf · 2011-05-27 · นิยามของพลังงานนิวเคลียร์. 5 • นิวเคลียสเป