Pomiary dozymetryczne w ochronie radiologicznej

1

Ćwiczenie 6.

Pomiary dozymetryczne w ochronie radiologicznej

1.

Zapoznanie się z metodologią pomiarów dozymetrycznych przeprowadzanych w ochronie radiologicznej. Wykonanie podstawowych pomiarów dozymetrycznych i/lub

spektrometrycznych dla różnych źródeł promieniowania jonizującego

2. Zakres wiadomości wymaganych do kolokwium wstępnego Uwaga !

Dla niektórych z niżej wymienionych zagadnień szczegółowych do kolokwium podano w nawiasach odpowiednią do danego zagadnienia literaturę szczegółową.

2.1. Sztuczne źródła promieniowania jonizującego

 Mechanizmy powstawania i własności promieniowania rentgenowskiego:

 promieniowanie hamowania i charakterystyczne

 widma promieniowania X emisyjne

 izotopowe źródła promieniowania rentgenowskiego (tzw. źródła przetwornikowe)

 Źródła izotopowe stosowane w medycynie, przemyśle i nauce - przykłady

 Źródła promieniowania neutronowego (neutronowe źródła izotopowe, reaktory, generatory neutronowe)

- zasada wytwarzania neutronów

- widmo energetyczne, maksymalne energie

 Podstawowe parametry źródeł istotne w ochronie radiologicznej - źródła promieniowania 

- źródła promieniowania  - źródła promieniowania 

- izotopowe źródła promieniowania neutronowego

2.2. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio z materią:

 podstawowe procesy oddziaływana z materią promieniowania X i 

2

 liniowe i masowe współczynniki osłabiania i absorpcji energii, warstwa półchłonna

 widma promieniowania X absorpcyjne, krawędzie absorpcji

 widma fluorescencji rentgenowskiej

 oddziaływanie neutronów z materią: spowalnianie, absorpcja i wytwarzanie promieniowania wtórnego

 reakcje jądrowe wywoływane neutronami istotne z punktu widzenia OR

2.3. Charakterystyka pól promieniowania ważna z punktu widzenia ochrony radiologicznej - współczynnik jakości promieniowania

- współczynnik skuteczności biologicznej (ang. Relative Biological Effectiveness –RBE) - składowe pola promieniowania: promieniowanie pierwotne, wtórne i rozproszone - promieniowanie użyteczne, uboczne

- współczynnik narostu B (ang. Buildup Factor) - promieniowanie pierwotne

- rentgenowskie promieniowanie rozproszone 2.4. Dozymetria promieniowania jonizującego

 definicje wielkości mierzonych: kermy i mocy kermy, dawki i mocy dawki ekspozycyjnej i pochłoniętej, przestrzenny równoważnik dawki, kierunkowy równoważnik dawki i ich moce, indywidualny równoważnik dawki

 definicje wielkości stosowanych w ochronie radiologicznej: dawka równoważna i dawka efektywna, szacowanie tych dawek w oparciu o wielkości mierzone (operacyjne)

 ocena ryzyka radiologicznego

 rodzaje geometrii wiązek promieniowania

 pomiar w swobodnej przestrzeni

 osłony przed promieniowaniem X i , warstwa półchłonna (ang. Half Value Layer – HVL)

 osłony przed promieniowaniem 

 osłony przed promieniowaniem neutronowym

 osłony detektorów (z gradientem liczby atomowej)

 obliczenia dozymetryczne dla źródeł punktowych

 dane atomowe i jądrowe niezbędne w obliczeniach dozymetrycznych 2.5. Aparatura dozymetryczna i stosowane w niej detektory:

 funkcjonalny schemat blokowy typowego dozymetru (radiometru) – rola i funkcje poszczególnych bloków

3

 komory jonizacyjne: zjawisko jonizacji, energia jonizacji, zasada działania, parametry i zastosowanie

 liczniki Geigera-Mullera: budowa, zasada działania, parametry i zastosowanie

 detektory scyntylacyjne: budowa, zasada działania, parametry i zastosowanie

 detektory półprzewodnikowe: budowa, zasada działania, parametry zastosowanie

 pomiary spektrometryczne z wykorzystaniem detektorów scyntylacyjnych

i półprzewodnikowych oraz analizatorów wielokanałowych. Ogólna zasada działania analizatora wielokanałowego - podstawowe parametry: zakres dynamiczny, rozdzielczość cyfrowa, cena kanału, liniowość

2.6. Podstawowe pojęcia metrologiczne w dozymetrii:

 wzorcowanie i karty wzorcowania

 wartość umownie prawdziwa (ang. Conventional True Value – CTV) i wartość mierzona

 szacowanie niepewności pomiarów dozymetrycznych

2.7. Wstępna znajomość zasad praktycznej obsługi aparatury dozymetrycznej: radiometru RKP- 2 oraz AT 1117 z sondami rentgenowską i neutronową

3. Wyposażenie stanowiska pomiarowego

 Aparatura dozymetryczna:

 radiometr RKP-2 z sondą scyntylacyjną SSA-1P

 radiometr AT 1117M z sondą rentgenowską BDKR-01, sondą neutronową BDKN-03, adapterem USB i innym pomocniczym oprzyrządowaniem

 Źródła promieniotwórcze w pojemnikach osłonnych (ze świadectwami):

L.p. Źródło Rodzaj promieniowania Nr źródła Nr pojemnika Typ pojemnika

1 ²⁴¹Am-Be prędkie neutrony 002 - osłona

38 cm parafina + 1 cm B2O5

2 ²⁴¹Am-Be prędkie neutrony 004 -

3 ⁶⁰Co  BH-738

3923

4 ⁵⁷Co  BZ28/09 - P-20

5 ²⁴¹Am  (punktowe) 28/11 - polietylen

6 ²⁴¹Am  (punktowe) 25/13 - polietylen

7 ⁶⁰Co  (powierzchniowe) 00597 - P-5

8 ⁹⁰Sr/⁹⁰Y  80087 - P-5

4

9 ⁹⁰Sr/⁹⁰Y  02984 - pojemnik Al

10 ⁹⁰Sr/⁹⁰Y  022698 - pojemnik Al

 Dodatkowe wyposażenie:

 komputer PC lub laptop z oprogramowaniem ATexch

 manipulatory

 taśma miernicza 3. m i 5. m

 linijka 50. cm

 stoliki, podstawki itp.

 absorbenty:

Absorbent Grubość [cm] Szerokość [cm] Wysokość [cm] Ilość sztuk

Bloczki parafinowe 10 15 15 9

Woda ( w plastikowych

pojemnikach)

14,5 18,5 23

4

13 19,5 25

13 18,5 25

13 19 25

Cegły ołowiane 5 10 10 12

Blacha kadmowa 0,1 10 - 1

 blaszki do demonstracji fluorescencji rentgenowskiej ( Ag, Au, Pb, Cd, Al, Mo, Ni, Cu, plastik) UWAGA !

Szczegółowe dane na temat źródeł, osłon i materiałów absorbentów zawarte są w dodatkowym pliku pod nazwą: „Opis źródeł Co-60 w pojemniku roboczo-transportowym PrJ-20 i Am-Be w pojemniku osłonnym” dostępnym w materiałach ćwiczenia

4. Zadania do wykonania przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia

4.1. Zapoznanie się „na sucho” z instrukcjami obsługi radiometrów:





5 a także:



Instrukcje, częściowo w języku angielskim, dostępne są w kursie PFM.

5. Zadania praktyczne

Uwagi dotyczące bezpieczeństwa:

A. Zachować szczególną ostrożność przy wykonywaniu pomiarów dla wysokoaktywnych źródeł neutronowych ²⁴¹Am-Be oraz źródeł ¹³⁷Cs i ⁶⁰Co. Nie wolno stawać w linii wiązki emitowanej z pojemników osłonowych ! Czas przebywania w bezpośredniej bliskości źródeł podczas wykonywania pomiarów ograniczyć do niezbędnego minimum.

B. Bezpośrednie manipulacje z wymienionymi wyżej źródłami (np. wyjmowanie z osłon, przestawienie pojemników ze źródłami) są kategorycznie zabronione !!! W razie konieczności operacje takie może wykonać tylko prowadzący zajęcia lub upoważniony pracownik

C. W razie sytuacji awaryjnej należy bezzwłocznie oddalić się od źródeł na odległość przynajmniej 5 m i postępować zgodnie z instrukcją awaryjną

Do praktycznego wykonania zadań eksperymentalnych konieczne jest zapoznanie się z instrukcjami obsługi (lub wybranymi rozdziałami):

 radiometru RKP-2 z dodatkową zewnętrzną sondą SSA-1P



 opanowanie obsługi programu analizatora wielokanałowego na bazie sondy BDKR-01 5.1. Oszacowanie, przed przystąpieniem do pomiarów, w drodze obliczeń dawek równoważnych

i efektywnych dla kilku różnych odległości od poszczególnych źródeł. Należy uwzględnić dwa przypadki: źródła odsłonięte oraz źródła w pojemnikach osłonnych. Uwzględnić geometrię planowanych pomiarów, grubość i budowę pojemników osłonnych. O potrzebne dane należy zwrócić się do prowadzącego zajęcia lub odczytać z odpowiednich świadectw źródeł

promieniotwórczych. W obliczeniach można korzystać z kalkulatorów internetowych i programów wspomagających obliczenia z zakresu ochrony radiologicznej wskazanych w literaturze

5.2. Na podstawie pomiarów wykonać odręczny plan części pracowni, w której będą wykonywane pomiary dozymetryczne. Zaznaczyć na nim położenie źródeł.

5.3. Wykonać, wykorzystując odpowiedni sprzęt dozymetryczny, pomiary przestrzennego

równoważnika dawki (i gęstości strumienia dla neutronów) w polu promieniowania wybranych źródeł izotopowych w pojemnikach osłonnych. Pomiary wykonać w kilku wybranych punktach:

6

na powierzchni pojemnika osłonnego, w odległości 10 cm i 1 m. Wyniki ( nieskorygowane wskazania przyrządów) nanieść na plan pracowni

5.4. Dla źródła neutronowego oraz jednego wybranego źródła promieniowania  wykonać pomiary dla 5 – 6 odległości od źródła (w każdym punkcie co najmniej 5 pomiarów), w wiązce

wyprowadzonej z pojemnika. Zanotować nieskorygowane wskazania określonych dozymetrów 5.5. Sprawdzenie skuteczności ekranowania różnych materiałów osłonowych (ściana, blacha

ołowiana, cegły ołowiane woda itp. Pomiary wykonać dla kilku ( 2-3) grubości warstw materiału osłonowego), za każdym razem powtarzając je przynajmniej 5. krotnie

UWAGA !

Zadania od 5.1 do 5.5 będą wykonywane w Specjalistycznej Pracowni Jądrowej. Pozostałe zadania należy wykonać w Pracowni Fizyki Medycznej

5.6. Kalibracja energetyczna sondy BDKR-01 ( na zakresie do 160 keV) podłączonej do komputera PC lub laptopa, z wykorzystaniem źródła ⁵⁷Co.

5.7. Pomiar widma promieniowania  ²⁴¹Am oraz za pomocą sondy BDKR-01

5.8. Pomiar widma promieniowania pierwotnego i fluorescencyjnego za pomocą sondy scyntylacyjnej BDKR-01 podłączonej do komputera - wnioski co do konstruowania osłon przed

promieniowaniem beta.

5.9. Wykrywanie „skażeń” alfa- i betapromieniotwórczych. Pomiary dla źródła alfa ²⁴¹Am-241 za pomocą RKP-2 z sondą SSA-1P i źródła beta ⁹⁰Sr za pomocą RKP-2. Określenie aktywności powierzchniowej źródła ⁹⁰Sr przy znanej jego geometrii (wymiary części aktywnej). Zachować geometrię pomiaru zgodną z kartą wzorcowania radiometru

6. Opracowanie wyników:

6.1. Opracowanie do zadania 5.1

6.1.1. Sporządzić protokół z obliczeń, podając źródła danych użytych w tych obliczeniach i przyjmowane założenia. Uzasadnić stosowane przybliżenia.

6.1.2. Oszacować dawki otrzymane w czasie pomiarów uwzględniając czas wykonywania pomiarów

6.2. Opracowanie do zadań 5.2 i 5.3:

6.2.1. Przygotować plan pomieszczenia z naniesionymi położeniami źródeł i punktów wykonanych pomiarów dozymetrycznych

7

6.2.2. W oparciu o karty wzorcowania dozymetrów obliczyć skorygowane wartości mierzonych wielkości dozymetrycznych i zamieścić je w protokole z pomiarów dozymetrycznych( np. na planie pracowni lub w formie załącznika do tego planu)

6.2.3. Porównać otrzymane wartości z ich wartościami otrzymanymi z obliczeń w zadaniu 5.1.

Wyciągnąć wnioski, omówić czynniki wpływające na niepewności pomiarów i spróbować te niepewności oszacować. Uwzględnić niepewności kalibracji

6.4. Opracowanie do zadania 5.4

6.4.1. Skorygować otrzymane wyniki w oparciu o karty kalibracji przyrządów

6.4.2. Wykreślić zależności mocy dawki od odległości z uwzględnieniem niepewności 6.4.3. Dopasować krzywą teoretyczną typu arⁿ i określić eksperymentalny wykładnik n.

Porównać go z prawem odwrotnych kwadratów. Wyjaśnić ewentualne rozbieżności.

6.5. Opracowanie do zadania 5.5

6.5.1. Na podstawie uzyskanych wyników oszacować liniowe i masowe współczynniki osłabiania dla poszczególnych materiałów osłonowych, oraz wartości HVL dla tych materiałów

6.5.2. Wyciągnąć i zapisać wnioski dotyczące skuteczności poszczególnych materiałów dla danego typu promieniowania (n lub )

6.5.3. Porównać własne wyniki z wartościami dostępnymi w innych źródłach – skomentować ewentualne rozbieżności

6.5.4. Obliczyć lub odczytać krotność osłabienia pojemników osłonnych na podstawie Polskiej Normy lub innych źródeł. Uwzględnić geometrię pomiarów

6.6. Opracowanie do zadania 5.6

6.6.1. Wykonać wykres widma ⁵⁷Co. Zidentyfikować linie w widmie z wykorzystaniem tablic danych jądrowych i katalogów widm. W oparciu o dwie (lub trzy) linie przeprowadzić kalibrację energetyczną. W celu dokładniejszego wyznaczenia położenia linii należy wykorzystać program graficzny z możliwością dopasowywania linii teoretycznych do

wierzchołków eksperymentalnych ( np. Origin, Fityk itp.). Podać równanie linii kalibracyjnej 6.6.2. Wyznaczyć energetyczną zdolność rozdzielczą dla zidentyfikowanej linii o maksymalnej

energii oraz cenę kanału 6.7. Opracowanie do zadania 5.7

6.7.1. Wykonać wykres widma promieniowania  otrzymanego za pomocą sondy BDKR-01, znaleźć położenia wierzchołków (fotopików) i określić energie odpowiadających im linii promieniowania. Oszacować niepewności

8

6.7.2. Porównać własne wyniki z danymi tablicowymi 6.8. Opracowanie do zadania 5.8

6.8.1. Wykonać wykresy widm promieniowania fluorescencyjnego X otrzymanego za pomocą sondy BDKR-01 dla wybranych 3 materiałów. Znaleźć, jeżeli występują w widmie, położenia wierzchołków (fotopików) i określić energie odpowiadających im linii promieniowania charakterystycznego X. Oszacować niepewności

6.8.2. Porównać własne wyniki z danymi tablicowymi 6.9. Opracowanie do zadania 5.9

6.9.1. Korzystając z kart wzorcowania określić aktywność powierzchniową źródła ⁹⁰Sr/⁹⁰Y

Literatura

Pozycje o charakterze ogólnym:

1. Dyson N. A., Promieniowanie rentgenowskie w fizyce atomowej i jądrowej, Warszawa:

Wydawnictwo Naukowe PWN, 1978. ISBN 978-83-200-3676-3

2. Scharf W., Akceleratory biomedyczne, Warszawa: PWN, 1994. ISBN 83-01-11308-1 3. Strzałkowski A., Wstęp do fizyki jądrowej, Warszawa: PWN, 1978. ISBN 83-01-00239-5 4. Lisieski W., Scharf W., Spektrometry rozkładów amplitudowych Warszawa: PWN, 1973

5. Hrynkiewicz Z. A., Człowiek i promieniowanie jonizujące. Warszawa: PWN, 2003. ISBN 83-01- 13495-X

6. Gostkowska B., Wielkości, jednostki i obliczenia stosowane w ochronie radiologicznej, Warszawa:

Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, 2009

7. Gorączko W., Radiochemia i ochrona radiologiczna, Poznań: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2003. ISBN 83-7143-509-6

8. Medycyna zagrożeń i urazów radiacyjnych pod redakcją M. Janiaka i A. Wójcika, Warszawa:

Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2005. ISBN 83-200-2958-09 Bazy danych atomowych i jądrowych

9. J. H. Hubbell, S. M. Seltzer Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy- Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for Elements Z = 1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest NIST [dostęp: 2013.11.17]

http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm

10. IAEA. Nuclear Data Services, [on-line], Viena: IAEA, [Dostęp: 2013.12.06]. Dostępny:

https://www-nds.iaea.org

9

Spektrometria promieniowania . Interpretacja widm liczników promieniowania fotonowego.

11. Dziunikowski B., Kalita S. J., Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych, Kraków: Wydawnictwa AGH, 1995. ISSN 0239-6114. Dostępna wersja elektroniczna

w Bibliotece Cyfrowej AGH: http://winntbg.bg.agh.edu.pl/skrypty3/0364/dziunikowski-kalita.pdf Instrukcje obsługi

12. Radiometr RKP-2. Instrukcja obsługi IO-R113-001, Edycja III, Bydgoszcz: Zakład Urządzeń Dozymetrycznych POLON ALFA Sp. z o. o., 2009. [dostępna w kursie PFM i w pracowni]

13. Radiation Monitor AT1117M. Operating Manual., Mińsk: ATOMTEX, Belarus, 2007. [dostępna w kursie PFM i w pracowni]

Kalkulatory i programy obliczeniowe z zakresu OR dostępne w Internecie

14. Rad Pro Calculator 3 [on-line and off-line version], 2007, UK: Ionactive consulting. [Dostęp:

2013.12.06]. Dostępny: www.radprocalculator.com

15. ICRP38 [off-line version, zawiera 3 aplikacje DexRax, Radsum i WinChain], USA: ORNL.

[dostęp: 2013.12.06]. Dostępny: http://ordose.ornl.gov/resources/setup38.exe

16. Simpkin D. J., XRAYBARR [off-line]. [routine to calculate radiation shielding requirements for diagnostic radiology installations], 2009, [dostęp: 2013.11.17]. Dostępny:

https://sites.google.com/site/dsimpkinmedicalphysics/home/shielding/xraybarr

17. Portal Nucleonica (Applications i Data) [on-line], Germany: Nucleonica GmbH. [Dostęp:

2013.12.06]. Dostępny: http://www.nucleonica.net/Application/Shielding.aspx (dostęp po darmowej rejestracji na http://www.nucleonica.net )

10

DODATKI

A.

Geometrie układów źródło-osłona-detektor spotykane w praktyce pomiarów dozymetrycznych

I) Wąska wiązka promieniowania

Zakładamy, że przy tej geometrii pomiaru do detektora trafia tylko część wiązki promieniowania pierwotnego, przechodząca przez osłonę (ekran) bez żadnego oddziaływania. ( symbolicznie na rysunku poniżej – strzałki czerwone). W ekranie nie jest generowane promieniowanie rozproszone ani wtórne.

W praktyce sytuacja jest bliska tym modelowym założeniom, gdy:

1) ekran jest dostatecznie cienki

2) przekroje czynne na rozpraszanie i procesy generujące promieniowanie wtórne są dla danego materiału pomijalnie małe

3) źródło i część czynna detektora są wyposażone w efektywnie działające kolimatory.

Przybliżone, praktyczne kryteria układu pomiarowego o „dobrej geometrii”:

a) detektor powinien być umieszczony w odległości co najmniej 10 razy większej niż średnica poprzecznego przekroju wiązki

b) odległość płaszczyzna wyjściowa wiązki – detektor powinna być co najmniej 5 razy większa od największego rozmiaru przesłony

II) Szeroka wiązka promieniowania

Pomiar w geometrii szerokiej wiązki oznacza z definicji, że do detektora trafia oprócz promieniowania pierwotnego przechodzącego przez przesłonę (ekran) (strzałki czerwone) również promieniowanie rozproszone na obiektach w otoczeniu układu pomiarowego strzałki brązowe). Brak generacji dodatkowego promieniowania w ekranie

Źródło w osłonie Osłona Detektor z kolimatorem kolimującej

Warunki pomiarów w geometrii wąskiej wiązki

11

III) Szeroka wiązka promieniowania z uwzględnieniem czynnika przyrostu (buildup factor)

Warunki pomiarów w geometrii szerokiej wiązki z uwzględnieniem czynnika przyrostu (build-up factor)- do detektora trafia oprócz promieniowania pierwotnego przechodzącego przez przesłonę (ekran) również promieniowanie rozproszone na obiektach w otoczeniu układu pomiarowego oraz

promieniowanie wtórne generowane przez promieniowanie pierwotne w oddziaływaniu z ekranem.

Źródło bez kolimatora Osłona Nieosłonięty detektor

Warunki pomiarów w geometrii szerokiej wiązki z uwzględnieniem czynnika przyrostu (build-up)

Przedmiot z otoczenia

Źródło bez kolimatora Osłona Nieosłonięty detektor Warunki pomiarów w geometrii szerokiej wiązki

Przedmiot z otoczenia