ROZWÓJ I ZASTOSOWANIE DETEKTORÓW TERMOLUMINESCENCYJNYCH W DOZYMETRII INDYWIDUALNEJ I ŚRODOWISKOWEJ W POLSCE Maciej Budzanowski, IFJ PAN Seminarium IFJ PAN 29.03.2012
TERMOLUMINESCENCJA (TL) Zjawisko występujące w niektórych materiałach, polegające na emisji światła pod wpływem dostarczonej energii cieplnej a wcześniej eksponowanych na promieniowanie jonizujące. Świecenie detektora TL typu LiF:Mg, Ti (MTS-N) w czytniku termoluminescencyjnym podczas podgrzewania.
HISTORIA TERMOLUMINESCENCJI NA ŚWIECIE Sir Robert Boyle (1672 1691) 1663 Opisał świecenie podgrzewanego diamentu w łóżku pod kołdrą Maria Skłodowska 1904 -Curie (1867-1934) Zauważyła i zinterpretowała zdolność emisji TL po ekspozycji na źródle radowym naturalnego CaF 2 1953 Farington Daniels, Uniw. w Wisconsin, USA (1889-1972) Pierwsze zastosowanie w dozymetrii promieniowania jonizującego gamma, beta, X, neutronów oraz podczas testów jądrowych, stosował LiF W POLSCE 1966 Tadeusz Niewiadomski (1920 1996) Detektory TL na bazie LiF:Cu,Ag i CaF 2 :Mn w rutynowych pomiarach dozymetrycznych w IFJ
NASZE DETEKTORY TL: LiF:Mg,Ti i LiF:Mg,Cu,P WŁASNOŚCI DOZYMETRYCZNE LiF:Mg,Ti (MTS-N) Sygnał TL w wysokiej temperaturze pik główny w temp. 210 o C Tkankopodobność - Zeff=8.2 Dobra czułość na prom. jonizujące, poziom detekcji = 10mGy Dobra powtarzalność- 2% (1SD) Liniowość wskazań do 3 Gy Charakterystyka energetyczna 30keV-1.3MeV <30% Fading termiczny <5%/rok w temp. pokojowej Stosowanie wielokrotnego użytku Trwałe mechanicznie LiF:Mg,Cu,P (MCP-N) Czułość na prom. gamma - 30 razy większa niż MTS-N Poziom detekcji - 50 ngy Liniowość wskazań do 10 Gy Charakterystyka energetyczna 30keV-1.3MeV <20% Inne parametry podobne do MTS-N WYKONYWANE OD KILKUDZIESIĘCIU LAT W IFJ PAN
DAWKOMIERZE I APARATURA STOSOWANA W LADIS PI-01 DI-02 DS-04 Dawkomierze PI-01 - ind. pierścionkowy 1xMTS-N DI-02 - indywidualny 4xMTS-N DS-04 środowiskowy 3xMCP-N Elementy dawkomierza DI-02 i detektor Automatyczne czytniki TL
CO MIERZYMY I WYZNACZAMY? Wielkości mierzalne, czyli takie które można wyznaczyć w drodze bezpośredniego pomiaru: Dawka pochłonięta D = de/dm w [Gy] lub KERMA, K=dE tr /dm w [Gy] 1 Gy = 1 J kg -1 Wielkości normatywne, czyli takie które są miarą zagrożenia radiacyjnego człowieka zdefiniowane za pomocą parametrów zależnych od anatomii człowieka bądź umownie dobranych współczynników wagowych promieniowania, w R, czy tkanek, w T : Dawka efektywna (skuteczna), E w [Sv]
DAWKA SKUTECZNA, E
CO MIERZYMY I WYZNACZAMY? Wielkości mierzalne, czyli takie które można wyznaczyć w drodze bezpośredniego pomiaru: Dawka pochłonięta D = E/m w [Gy] lub KERMA, K=dE/dm w [Gy] 1 Gy = 1 J kg -1 Wielkości normatywne, czyli takie które są miarą zagrożenia radiacyjnego człowieka zdefiniowane za pomocą parametrów zależnych od anatomii człowieka bądź umownie dobranych współczynników wagowych promieniowania, w R, czy tkanek, w T : Dawka efektywna (skuteczna), E w [Sv] Wielkości operacyjne (robocze), czyli takie które można wyznaczyć, zostały tak zdefiniowane aby dla większości pól prom. były większe od wartości dawki efektywnej: Indywidualny równoważnik dawki, Hp(d) w [Sv]
INDYWIDUALNE RÓWNOWAŻNIKI DAWKI Hp(10), Hp(0,07) i Hp(3) Indywidualne równoważniki dawki NOWOŚĆ od 2012!!! Na głębokości 3 mm (na soczewki oczu) Hp(3) w msv Na głębokości 10 mm Dla prom. silnie przenikliwego (organy wew.) Hp(10) w msv P. Anna Nowak, pracownik LADIS Na głębokości 0,07mm dla prom. słabo przenikliwego (skóra) Hp(0,07) w msv P. mgr inż. Anna Piaskowska doktorantka Wielkości operacyjne Hp(10), Hp(0,07) i Hp(3) wyznaczamy na drodze pomiarowej i przybliżają konserwatywnie dawkę efektywną E. Zostały opracowane przez ICRU.
WIELKOŚĆI W POMIARACH ŚRODOWISKOWYCH Kair - KERMA w powietrzu w mgy H*(10) - przestrzenny równoważnik dawki w msv Najczęściej w Polsce stosowana jest Kair. Monitorowane są miejsca pracy w narażeniu na promieniowanie jonizujące, oraz dla tzw. ogółu ludności przebywającej w pobliżu tych miejsc.
PORÓWNANIE POZIOMU DAWEK Detektory TLD od 200 nsv do... 1 MSv limit zawodowy na dłonie limit zawodowy na soczewki oczu limit zawodowy na całe ciało limit ogół. ludności dawka śmiertelna wycieczka na Mars CT rtg kreg. rtg klatki prom. nat. total prom. nat. zew. 0,1 msv 500 msv 150 msv 20 msv 1 msv 1 Sv 7 msv 3 msv 2,3 msv 0,8 msv 3 Sv 3 Sv 0,1 1 10 100 1000 Dawka efektywna [msv]
BADANIE SYSTEMU MCP-N W SYMULOWANYM POLU Dose rate [ngy/h] 800 700 600 500 400 300 200 100 TLD PMS GT 226 Ra (dist. 7 m) 137 Cs (dist. 3 m) 137 Cs (dist. 4 m) 137 Cs (dist. 5 m) 60 Co (dist. 1.5 m) 60 Co (dist. 3.5 m) Poziom po awarii w Czarnobylu w IFJ 241 Am (dist. 1 m) 10.05.1986 IFJ 18.05.1986 IFJ 0 day of measurement K. Kozak, M. Budzanowski and P. Gaca, Response of Permanent Monitoring Station (PMS) to increased radioactivity level in comparison with thermoluminescent detectors and gamma tracer monitor, NUKLEONIKA. Vol. 46 (2001)
POMIARY ŚRODOWISKOWE NA TERENIE ŁODZI Pomiary tła gamma w 82 punktach na wysokości 1 m na terenie Łodzi w czasie 2 tygodni z użyciem detektorów MCP-N (LiF:Mg,Cu,P)
KWARTALNE POMIARY MOCY DAWEK NA TERENIE IFJ PAN Z UŻYCIEM DETEKTORÓW TLD Kerma rate (ngyh -1 ) 4/95 1/96 2/96 3/96 4/96 1/97 2/97 3/97 4/97 1/98 2/98 3/98 4/98 1/99 2/99 3/99 4/99 1/00 2/00 3/00 4/00 1/01 2/01 3/01 4/01 1/02 2/02 3/02 4/02 1/03 2/03 10 8 10 7 Site no. 51 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 Period (quarter/year) Pomieszczenie cyklotronu M. Budzanowski, P. Olko, B. Obryk, E.Ryba i A. Nowak Long-term environmental monitoring based on MTS-N (LiF:Mg,Ti) and MCP-N (LiF:Mg,Cu,P) Thermoluminescent Detectors, Radiat. Measurements 38, (2004) 821-824
POMIARY w KOPALNII ASSE Przez 1.5 roku badano bieg własny detektorów w warunkach niskotłowych < 1 nsv/h. Budzanowski M., Burgkhardt B., Olko P., Pe ara W, Waligórski M.P.R. Long-term investigation on self-irradiation and sensitivity to cosmic rays of TL detectors types TLD-200, TLD-700, MCP-N and new phosphate glass dosemeters. Radiat.Prot.Dosim. 66:135-138, 1996
POMIARY w POLKOWICACH (KGHM) Czerwiec 2005 - przygotowanie Listopad 2005 odczyt TLD Portret zespołu IFJ PAN i UŚ Zmierzono moc kermy = 1,8 ngy/h Jest miejsce niskotłowe w Polsce. Kisiel, J., Budzanowski M., Dorda, J., Kozak, K., Mazur, J., Mietelski, J. W., Puchalska, M., Tomankiewicz, E., Zalewska, A., Measurements of Natural Radioactivity in the Salt Cavern of the Polkowice-Sieroszowice Copper Mine, Acta. Phys Pol B. Vol: 41 Issue: 7, pp: 1813-1819, (2010)
POMIARY ŚRODOWISKOWE w POLSCE (DS-04) Percent of measurments [%] 100 80 60 Nuclear Medicine Oncology Centres Radiology Interventional Radiology Dental Veterinary Radiology Industrial Radiography 40 20 0 < 0.25 0.25-1 1-5 >5 K air [mgy/quarter] W 2012 r. mierzymy w 2600 punktach pomiarowych w Polsce - statystyka oparta o 48 000 kwartalnych pomiarów od 2002 r. Results 2002-2009 published: M. Budzanowski, R. Kopeć, B. Obryk and P. Olko DOSE LEVELS OF THE OCCUPATIONAL RADIATION EXPOSURES IN POLAND BASED ON RESULTS FROM THE ACCREDITED DOSIMETRY SERVICE AT THE IFJ PAN, KRAKOW Radiation Protection Dosimetry (2011), Vol. 144
STATYSTKA POMIARÓW DAWEK III 2012 Osób lub punktów pomiarowych: 32 000 osób, dawkomierze DI-02 (X, gamma) 6 000 osób, dawkomierze PI-01 (X, gamma) 2 600 punktów środowiskowych DS-04 1 000 punktów środowiskowych w CERN 150 osób, dawkomierze ALBEDO (neutrony) Instytucje: 4 830 ośrodków (szpitale, centra onkologii, stomatologia, instytuty badawcze i uczelnie, przemysł ciężki, przemysł spożywczy, przemysł naftowy i samochodowy, geologia i geofizyka, muzea, straż graniczna, celna, areszty, wiezienia, sądy i wszędzie tam gdzie promieniowanie jonizujace x i gamma jest używane do prześwietlania )
Percent of measurments [%] WYNIKI POMIARY Hp(10) do IX 2011 100 80 60 Nuclear medicine Oncology Centres Radiology Interventional Radiology Dental Veterinary Radiology Industrial Radiography 40 20 0 <0.1 0.1-0.25 0.25-1 1-5 >5 Hp(10) [msv/quarter] Results 2002-2009 published: M. Budzanowski, R. Kopeć, B. Obryk and P. Olko DOSE LEVELS OF THE OCCUPATIONAL RADIATION EXPOSURES IN POLAND BASED ON RESULTS FROM THE ACCREDITED DOSIMETRY SERVICE AT THE IFJ PAN, KRAKOW Radiation Protection Dosimetry (2011), Vol. 144
WYNIKI POMIARY Hp(0,07) do IX 2011 Percent of measurments [%] 100 80 60 Nuclear Medicine Oncology Centres Radiology Interventional Radiology 40 20 0 <1 1-5 5-10 10-100 >100 Hp(0,07) [msv/quarter] Results 2002-2009 published: M. Budzanowski, R. Kopeć, B. Obryk and P. Olko DOSE LEVELS OF THE OCCUPATIONAL RADIATION EXPOSURES IN POLAND BASED ON RESULTS FROM THE ACCREDITED DOSIMETRY SERVICE AT THE IFJ PAN, KRAKOW Radiation Protection Dosimetry (2011), Vol. 144
RESULTS 10 HIGHEST Hp(10) REPORTED Hp(10) [msv/quarter] 3000 2500 medicine industry 700 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RESULTS 10 HIGHEST Hp(0,07) REPORTED Hp(0.07) (msv/quarter) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Radiology Oncology Centres Nuclear Medicine Interventional Radiology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
WYNIKI DAWKI ROCZNE Hp(10) Average yearly doses [msv/year] 2005 2006 2007 2008 2009 Interventional Radiology 0.39 0.33 0.31 0.33 0.28 Oncology Centres 0.53 0.43 0.37 0.35 0.31 Nuclear Medicine 0.65 0.68 0.80 0.71 0.75 Dental 0.21 0.13 0.29 0.27 0.18 Industrial Radiography 0.88 0.55 0.50 0.61 0.85 Veterinary Radiology 0.36 0.35 0.52 0.39 0.28 Radiology 0.12 0.21 0.25 0.29 0.21 Results 2002-2009 published: M. Budzanowski, R. Kopeć, B. Obryk and P. Olko DOSE LEVELS OF THE OCCUPATIONAL RADIATION EXPOSURES IN POLAND BASED ON RESULTS FROM THE ACCREDITED DOSIMETRY SERVICE AT THE IFJ PAN, KRAKOW Radiation Protection Dosimetry (2011), Vol. 144
ROZRÓŻNIANIE TYPU EKSPOZYCJI Kasetka standardowa Zmodyfikowana Filtr 1 mmpb 1mmCu 1 mmpb needle PMMA 1 mm filter Pb needle 1 mm y mm 0.9 mm TLD 4.5 mm Metoda identyfikacji ekspozycji statycznej termoluminescencyjnego dawkomierza promieniowania rentgenowskiego dla celów ochrony radiologicznej, Grant KBN nr 3P05D05925
WYNIKI DLA RÓŻNYCH ENERGII PROM. X 28 kev X-rays 80 kev X-rays 125 kev X-rays Static exposure Dynamic exposure Static exposure Dynamic exposure Static exposure Dynamic exposure 28 kev X-rays, 20 mgy, Cu filter 80 kev X-rays, 20 mgy, Cu filter 125 kev X-rays, 20 mgy, Cu filter 28 kev X-rays, 20 mgy, Pb filter 80 kev X-rays, 20 mgy, Pb filter 125 kev X-rays, 20 mgy, Pb filter 28 kev X-rays, 20 mgy, Al filter 80 kev X-rays, 20 mgy, Al filter 125 kev X-rays, 20 mgy, Al filter Static irradiation Dynamic irradiation X M. Budzanowski, P. Olko, N. Golnik, A Method for Distinguishing Between Static and Dynamic X-Ray Exposure of a personal Tl-Badge Using the CCD Camera Reader, Radiat. Prot. Dosim. 119:259-262, (2006)
WYNIKI EKSPOZYCJI STATYCZNEJ dla 33 kev Angle 0 o Angle 30 o Angle 60 o Filter Pb with holes Cu with holes Pb needle M. Budzanowski, P. Olko, R. Kopeć, B.Obryk, H. Dzikiewicz-Sapiecha i R. Siwicki, Identifiaction of Static Exposure of Standard Dosimetric Badge withthermoluminescent Detectors, Radiat. Prot. Dosim. 125 (1-4):213-216, (2007)
MINIATUROWE I PLANARNE DETEKTORY TL Dose rate (Gy/min) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Stationary beam Scanned beam Height (mm) 400 300 200 100 0,49 0,21 0,39 0,11 0,77 0,30 0,68 0,58 0,020 0,11 0,21 0,30 0,39 0,49 0,58 0,68 0,77 0,86 0,96 1,1 1,1 1,2 1,3 1,4-180 -150-120 -90-60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Azimuthal angle (degrees) 10 20 30 40 50 60 Width (mm) Miniaturowe detektory z LiF:Mg,Cu,P w pomiarze rozkładu dawki wokół igły fotonowej z IPJ, zdjęcie fantomu i wyniki. Cienkowarstwowe detektory z LiF:Mg,Cu,P w pomiarze rozkładu dawki wokół igły fotonowej z IPJ, zdjęcie układu pomiarowego oraz wyniki. M. Budzanowski, P. Olko, B, Marczewska, Ł. Czopyk, M. Słapa, W.Straś, M. Traczyk, M. Talejko Dose Distribution Around a Needle-Like Anode X-ray Tube:Dye-Film vs Planar Thermoluminescent Detectors, Radiat. Prot. Dosim. 120:117-120, (2006)
POMIAR DAWEK NA SOCZEWKI OCZU 20 msv Cataract: varienty reasons; exposure to radiation. Dose limit to eye lens should be reduced from 150 msv/y to 20 msv/y (ICRP, April, 2011) Measurment of Hp(3) in clinical conditions.
POMIAR DAWEK NA SOCZEWKI OCZU w POLSCE Extr. annualeye-lens dose (msv/y) 50 Annual eye-lens dose (extrapolation) ICRP recommended annual dose limit (April 2011) 40 HOSPITAL A HOSPITAL B 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Medical doctor Pierwsze wyniki pomiarów dawek dla radiologów zabiegowych w 2-ch szpitalach w Polsce (ekstrapolacja do typowej ilości procedur radiologii zabiegowej wykonywanej przez lekarzy). Grant, Optymalizacja dozymetrii pacjenta i personelu w radiologii, FNP nr. 2010-2/6
POMIAR DAWEK NA SOCZEWKI OCZU w POLSCE Prace badawcze (pomiarowe i teoretyczne) są prowadzone w ramach doktoratu Pani mgr inż. Agnieszki Szumskiej z MSD w ramach projektu FNP. Wyniki zostaną przedstawione przez dr Renatę Kopeć. Ulotka LADIS Od 2012 LADIS posiada metodę pomiarową i gotowość do wielkoskalowych pomiarów Hp(3)
POWTÓRNY ODCZYT DAWKI Z DETEKTORA TLD Liczba impulsów Liczba impulsów I odczyt (50 mgy) II odczyt (po naśw. UV) 1600 1400 1200 160 140 120 1000 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Temperatura 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Temperatura Pierwszy odczyt dawki Powtórny odczyt dawki z tego samego detektora po ekspozycji UV 254 nm przez 2h Jest metoda powtórnego odczytu w sytuacjach wątpliwych Grant, Technologie wspomagające rozwój bezpiecznej energetyki jądrowej Rozwój metod zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej dla bieżących i przyszłych potrzeb energetyki jądrowej, NCBiR,
PODSUMOWANIE w 2001 roku opracowano metody pomiarowe i wdrożono nowoczesny system dozymetryczny oparty o detektory MTS-N i MCP-N; uzyskano FS na rozwój dozymetrii TL ok. 1,6 mln zł; metodę TL w polskiej dozymetrii można uznać za powszechnie wdrożoną - pomiary dla ok. 40 000 osób w Polsce, 400 000 kwartalnych pomiarów dawek (potencjalne wykorzystane do celów naukowych i dla ustawodawcy); detektory TL można stosować z powodzeniem do badań niskotłowych, typowego tła, w warunkach wysokich mocy dawek oraz niestandardowych badań 2-D rozkładu dawki; opracowano jedyną na świecie metodę rozróżniania ekspozycji statycznej od dynamicznej w termoluminescencji; od 2011 rozpoczęliśmy pomiary dawek na soczewki oczu; trwają prace badawcze nad powtórnym odczytem dawki w uprzednio odczytanym detektorze.
Metoda termoluminescencyjna w dozymetrii jest nadal aktywna i atrakcyjna naukowo mimo 60 lat od pierwszych zastosowań