Strumenti e dispositivi di radioprotezione

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1 Strumenti e dispositivi di radioprotezione UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO Materiale didattico a cura della Dott.ssa Michela Lecchi

2 La radioprotezione La radioprotezione ha come oggetto principale la protezione dell'uomo dagli effetti nocivi delle radiazioni. Nella pratica, la radioprotezione trova attuazione in un insieme di leggi, norme e procedure tese alla protezione di: lavoratori, per quanto riguarda le esposizioni derivanti dall'attività lavorativa pazienti, per quanto riguarda le esposizioni derivanti da esami diagnostici o terapie popolazione, per quanto riguarda i tipi di esposizioni che possono interessarla Per i lavoratori, l attuazione della radioprotezione va diversificata in funzione della possibile geometria di esposizione alle radiazioni: esterna o interna.

3 Esposizione esterna Esposizione esterna: La sorgente è esterna al corpo. Le radiazioni più penetranti sono le più importanti a livello radioprotezionistico (X, gamma, neutroni).

4 Esposizione esterna Il monitoraggio dell esposizione esterna è effettuato attraverso la sorveglianza fisica: del livello di radioattività ambientale all interno e all esterno delle aree di lavoro del livello di radioattività ambientale attorno alle apparecchiature di radiologia e radioterapia o attorno ai contenitori delle sorgenti delle dosi ricevute dai singoli operatori

5 Esposizione esterna Il monitoraggio dell esposizione esterna è effettuato attraverso la misura delle seguenti grandezze operative (equivalenti di dose): Equivalente di dose ambientale in un punto di interesse di un area di lavoro Equivalente di dose personale nel tessuto molle ad una profondità definita sotto un certo punto del corpo Unità di misura: Sv (Sievert) valore di dose personale o ambientale Equivalente di dose ambientale per unità di tempo Unità di misura: Sv/h valore di dose ambientale rilevato in un ora

6 Esposizione esterna Attività della sorgente, ovvero numero di trasformazioni nell unità di tempo (per radionuclidi) Unità di misura: BEQUEREL (Bq): 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo CURIE (Ci): 1 Ci = 3.7 x Bq Attività della sorgente per unità di superficie (utilizzata per le misure di contaminazione) Unità di misura: Bq/cm 2 n. di disintegrazione al secondo per centimetro quadrato

7 Sorveglianza fisica Gli strumenti operativi utilizzati per la sorveglianza fisica dell esposizione esterna possono essere raggruppati in due categorie a seconda dello scopo: Dosimetria fotografica (piccole pellicole o film) I GRUPPO (MONITORAGGIO CONTINUO) Dosimetria a termoluminescenza (TLD) II GRUPPO (MISURE ESTEMPORANEE) Rivelatori a gas (camere a ionizzazione, contatori proporzionale e contatori Geiger) Rivelatori allo stato solido (cristalli scintillatori o semiconduttori) TLD da polso TLD ad anello Badge

8 Dosimetria fotografica Una emulsione fotografica irradiata viene impressionata come nel caso della luce visibile e annerisce. L annerimento e proporzionale alla dose. Dose (µgy) Si ottiene la misura della dose integrale assorbita dalla pellicola durante l intero periodo di esposizione alle radiazioni.

9 I film-badge I film sono inseriti in astucci (badge), che contengono all interno piccoli filtri metallici di vario materiale e spessore che si sovrappongono a piccole aree dei film. I conseguenti diversi annerimenti permettono di ottenere informazioni su: - qualità della radiazione (energia) - geometria dell irradiazione (x es.: anteriore o posteriore) (1 VANTAGGIO). 0.1 mm Cu 1 mm Pb Badge 1 mm Cu 0.5 mm Cu Una volta letti, i film costituiscono un documento stabile ed archiviabile della dose ricevuta (2 VANTAGGIO). Per le dimensioni, non possono essere utilizzati per la misura delle estremità (SVANTAGGIO).

10 Dosimetria a termoluminescenza (TLD) Termoluminescenza: emissione di luce, a seguito di riscaldamento, da parte di alcuni materiali isolanti (CaF 2, LiF, BeO, CaSO 4, Li 2 B 4 O 7 ) Modello a bande: insieme dei livelli energetici possibili o impossibili (banda proibita) per gli elettroni di un materiale Banda conduzione Banda conduzione Energia Banda valenza Energia Banda proibita Banda valenza Materiale conduttore Materiale isolante

11 Principio di funzionamento TLD Banda conduzione Energia trappola Banda proibita Banda valenza L energia impartita dalla radiazione libera l elettrone dal legame atomico e lo porta nella banda di conduzione creando una lacuna nella banda di valenza. La maggior parte degli elettroni ritornano a legarsi alle lacune dopo aver migrato nel cristallo (luminescenza) Qualcuno resta intrappolato in livelli metastabili della banda proibita finché il cristallo non viene riscaldato (lettura).

12 Principio di funzionamento TLD Banda conduzione Energia trappola Banda proibita Banda valenza Qualcuno resta intrappolato in livelli metastabili della banda proibita finché il cristallo non viene riscaldato (lettura). L energia termica somministrata libera l elettrone dalla trappola. Esso ritorna alla banda di valenza e nel processo viene emessa luce (Termoluminescenza)

13 La fase di lettura del dosimetro consiste quindi nel suo riscaldamento Un fotomoltiplicatore legge la luce emessa Proporzionale al numero di elettroni intrappolati Proporzionale alla dose assorbita

14 I dosimetri personali TLD TLD da polso TLD ad anello Hanno le forme di piccoli cilindretti o parallelepidedi delle dimensioni di mm, quindi possono essere introdotti in contenitori a forme di anelli e bracciali per la misura della dose alle estremità (VANTAGGIO). La lettura distrugge l informazione (SVANTAGGIO).

15 Norme specifiche per l uso dei dosimetri personali 1) Il personale provvisto di dosimetro e` tenuto a portarlo per tutto il tempo di permanenza nel reparto e a trattarlo con la massima cura. 2) Il dosimetro personale non può essere utilizzato al di fuori della struttura ne` ceduto o prestato ad altre persone. 3) Il dosimetro personale ad anello deve essere indossato sull'arto più esposto. 4) Si deve porre la massima cura perché il dosimetro non venga in contatto con un qualunque liquido e non sia esposto a fonti di calore o di umidità. 5) Si deve segnalare immediatamente l'eventuale deterioramento o smarrimento del dosimetro alla Direzione (Ufficio di Radioprotezione) che provvederà alla sua sostituzione.

16 Norme specifiche per l uso dei dosimetri personali 6) Durante l'assenza dal lavoro, il dosimetro deve essere riposto in luogo ove non sussista possibilità alcuna di esposizione alle radiazioni. 7) Il dosimetro deve essere consegnato alla persona incaricata nei periodi prestabiliti, per poter garantire la valutazione della dose individuale assorbita. 8) Nel caso che, per qualsiasi motivo, una persona (dipendente da terzi, lavoratore autonomo, visitatore o altro) debba svolgere attività comportante esposizione, anche solo presunta, alle radiazioni, e' necessario contattare preventivamente l esperto qualificato.

17 I rivelatori a gas Rivelatori che misurano la IONIZZAZIONE (creazione di coppie di ioni) prodotta dal campo di radiazione in un volume di gas nel quale sono immersi due elettrodi conduttori. Catodo: elettrodo negativo Finestra trasparente alla radiazione gas + Anodo: elettrodo positivo

18 Principio di funzionamento dei rivelatori a gas V gas La radiazione ionizza le molecole del gas di riempimento. Gli ioni + e gli elettroni sono accelerati dalla differenza di potenziale applicata V agli elettrodi e raccolti dagli elettrodi stessi.

19 Principio di funzionamento dei rivelatori a gas La carica raccolta induce una variazione V della differenza di potenziale V ai capi del condensatore. Dalla misura della differenza di tensione V si risale alla carica raccolta e quindi alla energia rilasciata nel gas. V + V gas

20 Curva caratteristica La differenza di tensione V applicata agli elettrodi del rivelatore ne determina il funzionamento come: Camera a ionizzazione, Camera proporzionale, Contatore Geiger-Muller. Regione A: ricombinazione Regione C: moltiplicazione CONTATORE PROPORZIONALE Regione D: CONTATORE GEIGER MULLER Log 10 (numero di coppie di ioni raccolte) Regione B: saturazione CAMERA A IONIZZAZIONE Differenza di potenziale applicata agli elettrodi (V) Le curve α e β fanno riferimento a due tipi diversi di radiazione

21 Camera a ionizzazione Le camere a ionizzazione lavorano nella regione B della curva dove la differenza di tensione V è tale che vengano raccolti tutti gli ioni prodotti dal passaggio della radiazione senza la possibilità di ricombinazione degli stessi dovuta al basso campo applicato. Le camere a ionizzazione (VANTAGGI): possono essere realizzate in varie forme Possono essere utilizzate per misurare qualsiasi tipo di radiazione ionizzante hanno una elevata linearità di risposta al variare dell energia e dell intensità della radiazione SVANTAGGIO: bassa sensibilità (capacità di rilevare il segnale prodotto)

22 Esempio di camera a ionizzazione Calibratore di dose Strumento che misura l attività di una sorgente di radiazioni inserita in un pozzetto schermato dalla radioattività esterna. Range di misura dell attività: 0.15 x 10 6 Bq 37 x 10 9 Bq 10 x 10 6 Bq 185 x 10 9 Bq 400 x 10 6 Bq 370 x 10 9 Bq in relazione alla pressione del gas nella camera.

23 Esempio di camera a ionizzazione Camera per misure ambientali Strumento che misura la dose assorbita in aria in un punto di un area di lavoro.

24 Contatore proporzionale I contatore proporzionali lavorano nella regione C della curva dove la differenza di tensione V è tale che l energia acquisita dagli ioni, che si muovo verso gli elettrodi, produce altra ionizzazione nel gas. Sfruttano il fenomeno della moltiplicazione a valanga per amplificare la carica formatasi con la ionizzazione primaria La carica totale raccolta è un multiplo della ionizzazione primaria - + Sono utilizzati per la rivelazione di radiazione di bassa energia (pochi KeV) VANTAGGIO: maggiore sensibilità rispetto alla camera a ionizzazione

25 Esempio di contatore proporzionale Monitor per contaminazioni superficiali Strumento che misura l attività di una sorgente di radiazioni sparsa su una superficie per unità di area della superficie stessa (Bq/cm 2 )..o semplicemente conta quanta radiazione nell unità di tempo proviene dalla superficie di interesse (cps). Minima dose rilevabile < 1 Bq/cm 2 ( x energia 137 Cs)

26 Contatore Geiger-Muller Il contatore Geiger Muller è utilizzato ad una differenza di potenziale così elevata che la carica raccolta dal passaggio della radiazione non dipende dall'energia rilasciata da questa e quindi dal numero delle coppie ione-ione prodotte. VANTAGGIO: alta sensibilità SVANTAGGIO: misure non attendibili ad alte intensità di radiazioni (alto tempo morto del sistema)

27 Esempio di Contatore Geiger-Muller Monitor ambientale Strumento che misura l equivalente di dose ambientale per unità di tempo (Sv/h) nel punto di interesse di un locale in cui vi è presenza di radiazioni.

28 I cristalli a scintillazione La radiazione cede parte della sua energia al cristallo scintillatore causando l'eccitazione di un elettrone che si sposta in un livello ad energia superiore. Quando l'elettrone decade al livello che occupava prima dell'eccitazione, il cristallo emette luce (fenomeno della scintillazione). Tale impulso di luce viene poi rivelato, amplificato e trasformato in segnale elettrico dal fotomoltiplicatore. Segnale Rivelatore: scintillatore Fotomoltiplicatore

29 Esempio di strumentazione per il monitoraggio dell esposizione esterna Monitor mani-piedi-vesti Modello con 4 scintillatori plastici Strumento che misura l attività di una sorgente di radiazioni che può avere contaminato mani e piedi dell operatore per unità di area contaminata (Bq/cm 2 )..o semplicemente conta quanta radiazione nell unità di tempo proviene dalle estremità dell operatore (cps).

30 Rivelatori a semiconduttori Nei semiconduttori, la banda di conduzione e la banda di valenza sono separate da una piccola energia. Banda conduzione Banda conduzione Banda conduzione Energia Banda valenza Energia Banda proibita Banda valenza Energia Banda proibita Banda valenza Materiale conduttore Materiale semiconduttore Materiale isolante (TLD) Quando viene fornita energia dalla radiazione da rivelare, gli elettroni della banda di valenza possono passare nella banda di conduzione con la creazione di una coppia elettrone lacuna (ione +). Se si applica una tensione esterna, le coppie così formate migrano, gli elettroni verso l'anodo, le lacune verso il catodo. Si forma così una corrente proporzionale al numero di coppie formate e quindi all'energia della particella.

31 EPD (electronic personal dosimeter) Dosimetro elettrico personale Strumento che misura l equivalente di dose personale (Sv) sotto il punto di applicazione del dosimetro (tasca grembiule) dal momento di accensione dello strumento fino allo spegnimento (misura integrale di dose a lettura istantanea)

32 I dispositivi di radioprotezione Barriere fisse Barriere mobili Contenitori schermati Indumenti personali di protezione (DPI)

33 Esempi di barriere fisse Le barriere fisse sono costituite da pareti e porte progettate in modo tale da abbattere la dose nelle aree limitrofe al locale interessato all utilizzo delle radiazioni (x es. in piombo).

34 Esempi di barriere mobili PARATIE e BARRIERE CON VISIVA su rotelle o fissate al soffitto o all apparecchiatura.

35 Indumenti personali di protezione (DPI) CAMICI DI GOMMA con vari spessori di piombo; possono essere interi, costituiti solo da una parte anteriore e possono essere di tipo spezzato, con gonna e gilet.

36 Percentuale di attenuazione della radiazione da parte di un camice in piombo Tensione applicata al tubo Rx (kv) Camice di 0,25 mm Pb Camice di 0,35 mm Pb Camice di 0,50 mm Pb % 100 % 100 % % % % % % %

37 Contenitori schermati CONTENITORI IN PIOMBO O TUNGSTENO di vario spessore per la schermatura di siringhe o flaconi contenenti sorgenti di radiazioni (radiofarmaci o sorgenti per la taratura di strumenti)

38 Indumenti personali di protezione (DPI) COLLARINI GUANTI IN GOMMA OCCHIALI CON LENTI AVENTI UN CERTO SPESSORE DI PIOMBO

39 Altri sistemi di gestione del rischio Di natura ingegneristica sulle apparecchiature Es.: - pulsanti di erogazione raggi del tipo a uomo morto - protezione contro l azionamento involontario dei pedali di erogazione raggi X Di natura strutturale Es.: - microinterrutori di controllo alle porte - segnalazione acustiche e luminose dello stato di erogazione raggi X

40 Altri sistemi di gestione del rischio Di natura organizzativa e gestionale Es.: - cartellonistica opportuna - regolamentazione degli accessi - norme comportamentali

41 Esposizione interna Esposizione interna: La sorgente è introdotta nel corpo. Le radiazioni meno penetranti sono le più importanti a livello radioprotezionistico (beta, alfa).

42 Esposizione interna (principalmente Medicina Nucleare) Misure ambientali: vengono condotte per rivelare la concentrazione di radioisotopi nell aria, sulle superfici, sui filtri dei condizionamenti e sono effettuate con uso di contatori e/o scintillatori come nel monitoraggio della esposizione esterna Misure personali: per radiazioni gamma, misure esterne al fine di rivelare mediante scintillatori, l attività di un radionuclide in uno specifico organo o nel corpo intero. per radiazioni alfa e beta, misure indirette di concentrazione su escreti biologici.

43 Esempi: misura di iodio nella tiroide Captatore tiroideo Strumento che misura la quantità di iodio radioattivo presente a livello tiroideo. La captazione fornisce una misura della quantità potenzialmente presente a seguito di ingestione o inalazione del radionuclide.

44 Esempi: misura delle urine Contatore Marinelli Strumento che misura la radioattività presente in un liquido (urina) inserito in un apposito contenitore e fornisce una valutazione sulla quantità e tipologia dei radionuclidi presenti. Schermatura di Pb per misurare solo le radiazioni provenienti dal contenitore