Fisica delle Radiazioni Ionizzanti. Dott. Mirco Amici Esperto Qualificato U.O.C Medicina Legale e Gestione del Rischio

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1 Fisica delle Radiazioni Ionizzanti Dott. Mirco Amici Esperto Qualificato U.O.C Medicina Legale e Gestione del Rischio 1

2 Fisica delle Radiazioni Ionizzanti Cosa sono le radiazioni ionizzanti Tipi di radiazioni ionizzanti Fonti di radiazioni ionizzanti in ambito sanitario Grandezze e unità di misura 2

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5 Energia e Radiazioni Energia: capacità di compiere lavoro Radiazioni: trasmissione di energia a distanza Spesso in natura l energia è sotto forma di radiazione Ovvero la radiazione trasferisce energia tra un sistema e l altro 5

6 Utilizzo delle radiazioni L evoluzione ha portato il sistema occhio-cervello e orecchio-cervello ad essere in grado di analizzare le informazioni trasportate dalla radiazione dopo che questa ha interagito con gli oggetti che ci circondano. La radiazione diventa perciò il veicolo per trasportare le informazioni dal mondo esterno al nostro cervello attraverso opportuni sensori (occhio e orecchio) 6

7 Le Onde Elettromagnetiche Le radiazioni luminose (visibili e non) sono radiazioni elettromagnetiche Ogni onda elettromagnetica ha una frequenza definita ed una lunghezza d onda associata a questa frequenza 7

8 Propagazione delle radiazioni Le radiazioni elettromagnetiche non richiedono un mezzo particolare per la loro propagazione (si propagano anche nel vuoto) Le radiazioni meccaniche (suoni e ultrasuoni) richiedono un mezzo per la propagazione (nel vuoto non si propagano) 8

9 Le onde elettromagnetiche sono una forma di propagazione dell energia nello spazio e, a differenza delle onde meccaniche, si possono propagare anche nel vuoto. Il campo elettrico (E) e il campo magnetico (H) oscillano perpendicolarmente alla direzione dell onda. Ogni onda elettromagnetica è definita dalla sua frequenza, cioè il numero di oscillazioni compiute in un secondo, e si misura in cicli al secondo o Hertz (Hz); maggiore è la frequenza di un onda, maggiore è l energia che trasporta 9

10 Definizioni La classificazione delle onde elettromagnetiche basata sulla frequenza viene generalmente indicata col nome di "spettro elettromagnetico" in cui si individuano due classi principali: le "radiazioni ionizzanti", caratterizzate da frequenze estremamente alte (raggi X e gamma), che possiedono un'energia quantica sufficiente in grado di rompere i legami chimici delle molecole e degli atomi; le "radiazioni non ionizzanti" (NIR Non Ionising Radiation) a frequenza inferiore (fino a quella della luce visibile), per le quali l'energia a esse associata è sensibilmente inferiore all'energia dei legami chimici delle molecole biologiche 10

11 Le radiazioni elettromagnetiche onde radio onde radar microonde raggi infrarossi luce visibile raggi ultravioletti raggi X raggi gamma radiazioni non ionizzanti (NIR) radiazioni ionizzanti (RI) 11

12 Tipi di Radiazioni Ionizzanti Corpuscolari : particelle leggere elettricamente cariche (elettroni, positroni) particelle pesanti elettricamente cariche (particelle alfa) particelle neutre (neutroni) Elettromagnetiche : raggi X e gamma 12

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14 Ionizzazione L energia trasportata viene ceduta agli elettroni e ciò determina la formazione di uno ione L elettrone libero produce ulteriori ionizzazioni negli atomi che incontra 14

15 Ionizzazione Uno ione è una specie atomica elettricamente carica. A causa della carica elettrica che posseggono gli ioni sono estremamente reattivi e instabili. La ionizzazione è un fenomeno a soglia che richiede una quantità di energia pari almeno a 12 ev. 15

16 In base al meccanismo di produzione degli ioni le radiazioni si suddividono in: Direttamente ionizzanti: sono le radiazioni corpuscolari, elettricamente cariche, aventi sufficiente energia cinetica per produrre ionizzazione tramite collisione diretta con gli atomi del materiale investito. Sono elettroni, protoni, particelle alfa, ecc. Indirettamente ionizzanti: sono le radiazioni corpuscolari ed elettromagnetiche, elettricamente neutre, che possono provocare ionizzazione solamente attraverso meccanismi intermedi: a) cedendo la loro energia a particelle cariche, che possono poi ionizzare direttamente, b) provocando reazioni nucleari nella materia attraversata con conseguente emissione di particelle cariche. Sono: raggi x, 16 raggi gamma, neutroni.

17 I parametri che caratterizzano le interazioni sono: - Tipo di radiazione - Energia della radiazione - Caratteristiche del bersaglio (dimensioni, materiale, ecc) Al variare dei parametri sopra citati la radiazione incidente può essere assorbita, riflessa, trasmessa. 17

18 E sulla base di questi elementari principi che si basa la formazione di una immagine radiografica. Parte dei raggi X emessi dall apparecchio RX vengono assorbiti dal bersaglio (organo da visualizzare) e parte viene trasmessa. Il diverso comportamento del bersaglio alla medesima radiazione (le ossa assorbono più dei tessuti molli, ovvero i tessuti molli trasmettono più del tessuto osseo) consente un diverso annerimento del supporto radiografico (pellicola/rilevatore cr) 18

19 Quando un fascio di raggi X attraversa un soggetto, l intensità del fascio subisce una serie di attenuazioni a seconda del tessuto, dello spessore, dalla geometria dell esposizione etc. Questa modulazione viene trasformata dal sistema di rilevazione in una variazione delle densità ottiche con associati differenti valori dei grigi. Ad un maggior assorbimento dei raggi X corrisponderà una zona più chiara; ad un minor assorbimento di raggi X corrisponderà una zona più scura. 19

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23 Capacità di penetrazione La capacità di penetrazione all interno della materia dipende dall energia, dal tipo di radiazione emessa e dalla composizione e dallo spessore del materiale attraversato. 23

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25 Fonti di Radiazioni Ionizzanti in ambito sanitario apparecchi a raggi X sostanze radioattive 25

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27 Raggi X I raggi X e gamma sono delle onde elettromagnetiche di lunghezza d onda compresa tra 10-8 e m. La distinzione tra raggi X e gamma riguarda soltanto la loro origine. Si parla di raggi X per la radiazione elettromagnetica di origine atomica. Si parla di raggi gamma per la radiazione elettromagnetica di origine nucleare. 27

28 Tubo RX Il catodo ha la funzione di generare un fascio di elettroni, che vengono accelerati da un campo elettrico creato applicando alta tensione tra i due elettrodi. Al momento dell impatto avviene una serie di interazioni tra gli elettroni incidenti e la struttura atomica del materiale costituente l anodo, il cui risultato utile è l emissione di raggi X. 28

29 Tubo RX ad anodo fisso 29

30 Tubo RX ad anodo rotante 30

31 Sostanze radioattive La radioattività è la proprietà che gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni ionizzanti. La scoperta della radioattività avvenne alla fine dell 800 ad opera di Henry Bequerel e dei coniugi Curie 31

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33 La radioattività L uomo è esposto alla radioattività fin dal momento della sua apparizione sulla terra. Tutto quello che ci circonda ed emette radiazione fa parte del FONDO NATURALE DI RADIAZIONE. RADIOATTIVITA AMBIENTALE FONDO NATURALE = + RAGGI COSMICI 33

34 Fondo naturale di radiazioni Ambientale: radionuclidi presenti nelle rocce, nei cibi, nei materiali di costruzione. Raggi cosmici: provenienti dallo spazio La dose annualmente assorbita da ogni individuo della popolazione per effetto della radioattività naturale è mediamente di 2,4 msv/anno 34

35 Fondo naturale di radiazioni 35

36 Radioattività Naturale Le dosi da materiali radioattivi naturali varia fortemente sul territorio nazionale Aosta 0.02 msv/anno Viterbo 2 msv/anno 36

37 Attività di una sorgente radioattiva Per indicare la quantità di radioattività presente in una sostanza si usa la grandezza ATTIVITA : il numero di trasformazioni che essa subisce nell unità di tempo 1 Bequerel = 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo Il Bequerel ha sostituito il Curie: 1 Ci =3.7*1010 Bq 37

38 La Radioattività La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata DECADIMENTO. Questa trasformazione può completarsi in tempi brevi o molto lunghi. Una misura di tali tempi è data dal tempo di dimezzamento T1/2, che esprime il tempo alla fine del quale la metà degli atomi radioattivi inizialmente presenti ha subito una trasformazione spontanea 38

39 Grandezze ed unità di misura I concetti di dosimetria e le definizioni delle grandezze dosimetriche per usi in protezione sono definiti dall ICRP (International Commission for Radiation Protection) e dall ICRU (International Commission on Radiation Units and measurements) 39

40 Scopi e Obbiettivi dell ICRP Fornire a livello internazionale linee guida sui principi fondamentali della radioprotezione Fornire consigli agli organismi di governo sul corretto uso delle radiazioni ionizzanti Fornire un livello adeguato di protezione per l'uomo senza limitare eccessivamente le pratiche giustificate che comportano un aumento dell esposizione 40

41 Grandezze dosimetriche in uso in Radioprotezione Sono tre i tipi di grandezze rilevanti per scopi di radioprotezione: Quantità fisiche Grandezze limite Grandezze operative 41

42 Grandezze dosimetriche Le quantità fisiche sono misurabili ma poco interessanti per valutare il danno biologico Le grandezze limite NON sono misurabili: rappresentano bene il danno biologico Le grandezze operative sono misurabili 42

43 Quantità Fisiche e Grandezze Limite Energia assorbita nel mezzo ICRP 60 D.Lgs. 241/00 Dose Assorbita [Gy] Fattori peso per il tipo di radiazione wr Dose Equivalente [Sv] 43

44 Tipo ed intervallo di energia Fattori di peso ( ICRP 60) Fotoni, tutte le energie 1 Elettroni e muoni, tutte le energie 1 Neutroni, energia< 10 kev 5 10 kev-100 kev 10 > 100 kev - 2 MeV 20 > 2 MeV - 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Protoni 5 Particelle alfa, frammenti di fissione, nuclei pesanti 20 44

45 Quantità Fisiche e Grandezze Limite Energia assorbita nel mezzo Dose Assorbita [Gy] Fattori peso per il tipo di radiazione wr ICRP 60 D.Lgs. 241/00 Fattori peso per il tipo di tessuto attraversato wt Dose Equivalente [Sv] Dose Efficace [Sv] 45

46 Tessuto o organo Fattori di peso ( ICRP 60) Gonadi 0,20 Midollo osseo (rosso) 0,12 Colon 0,12 Polmone 0,12 Stomaco 0,12 Vescica 0,05 Mammella 0,05 Fegato 0,05 Esofago 0,05 Tiroide, altri tessuti 0,05 Cute 0,01 Superfici ossee 0,01 46

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49 Se il rischio globale risultante da una data dose di radiazione distribuita uniformemente al corpo intero viene assunto uguale ad 1, allora tale rischio si deve considerare ripartito tra i vari organi secondo le percentuali indicate in tabella Ad esempio se il polmone fosse esposto ad una data dose, il rischio risultante sarebbe 0.12 volte quello atteso nel caso di un esposizione uniforme dell intero corpo alla stessa dose 49

50 Dosimetria individuale in termini di Hp(d) Nel caso di dosimetria per irradiazione totale del corpo, la grandezza limite, indicata dalla normativa, è la Dose Efficace E. La grandezza operativa appropriata per la sua valutazione è l Equivalente di Dose Personale Hp(d). 50

51 Grandezze Operative Le grandezze operative sono grandezze definite allo scopo di misure di radioprotezione nel caso di esposizione esterna, ambientale e personale. Esse sono definite affinché costituiscano una stima ragionevolmente conservativa delle grandezze limite che non sono direttamente misurabili. 51

52 Equivalente di Dose Personale L Equivalente di Dose Personale, Hp(d) corrisponde all Equivalente di Dose in tessuto molle ad una profondità d sotto uno specificato punto del corpo. Le profondità raccomandate per le radiazioni debolmente penetranti sono 0.07 mm per la pelle e 3 mm per il cristallino, mentre 10 mm è la profondità raccomandata per radiazioni fortemente penetranti per il corpo intero. 52

53 Quantità fisiche (solo fotoni) Kerma, K -> Gy Dose Assorbita, D -> Gy Grandezze operative Equivalente di Dose Personale -> Hp(d) Sv Grandezze limite: Dose equivalente per singoli organi H Dose Efficace per il corpo intero E 53

54 L Equivalente di Dose Personale soddisfa diversi criteri: È unico per tutti i tipi di radiazione; È additivo rispetto alle varie direzioni di incidenza della radiazione; Tiene conto dell assorbimento e della retro-diffusione del corpo (su cui è indossato il dosimetro); È misurabile da un dosimetro indossato sul corpo umano; 54

55 Dose Efficace Con opportuni dosimetri posso misurare le grandezze operative e con opportuni calcoli posso ricavare la DOSE EFFICACE La dose efficace dipende da molti fattori: -Energia della radiazione -Distanza dalla sorgente -Dimensione e orientamento dei fasci -Uso e tipo di indumenti protettivi 55

56 Dose Efficace Dipendenza dall energia bassi kv alti kv 56

57 Dose Efficace Dipendenza dalla geometria Fascio dal basso Fascio dall alto 57

58 Dose Efficace Dipendenza dall uso dei Dispositivi di Protezione Individuali (DPI) Camice piombato 58

59 Dose Efficace E = Hp (10) * W Il fattore W tiene conto di tutti gli elementi discussi prima. Data la grande varietà di situazioni è molto difficile trovare un unico fattore valido per tutti gli esposti. 59

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61 Misura dell equivalente di dose personale Hp (10) Dosimetri a film Dosimetri a termoluminescenza (TLD) Dosimetri elettronici 61

62 Caratteristiche di un dosimetro Sensibilità e risoluzione Range e soglia di rivelazione Risposta lineare con la dose Indipendenza dalla qualità del fascio Omogeneità, riproducibilità, fading 62

63 Il corretto utilizzo Posizionamento Periodo di utilizzo Esposizione alla luce Esposizione a fonti di calore Sterilizzazione 63

64 Dosimetri a Film 64

65 DOSIMETRO ELETTRONICO Lettura diretta della dose Utile per monitorare situazioni a rischio Pratico per visitatori occasionali Possibilità di disattivarlo Fornisce la dose profonda Hp(10) Misura il fondo ambientale!!! 65

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67 Dosimetri a termoluminescenza (TLD) Il loro funzionamento si basa sul fenomeno della termoluminescenza che consiste nell emissione di luce, a seguito di riscaldamento, da parte del materiale precedentemente irraggiato. L intensità della luce emessa risulta proporzionale alla dose assorbita. Il riscaldamento del materiale, cioè la lettura del dosimetro, cancella l informazione. 67

68 Sistema di lettura per dosimetri a termoluminescenza Dosimetri personali TLD 68