PODSTWY OCHRONY RADIOLOGICZNEJ

PODSTWY OCHRONY RADIOLOGICZNEJ Materiał dydaktyczny dla Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej w ramach bloku wykładów pt.: Podstawy Bezpieczeństwa Jądrowego i Ochrony Radiologicznej Zadanie nr 33 Modyfikacja kształcenia na Wydziale Fizyki w zakresie wykorzystywania technik i technologii jądrowych w gospodarce narodowej Projekt Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego (Program Operacyjny Kapitał Ludzki) Opracował Mgr Janusz Henschke Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej Warszawa grudzień 2009 1

Spis treści 1 DOZYMETRIA: WIELKOŚCI, JEDNOSTKI, PRZYRZĄDY DOZYMETRYCZNE... 3 1.1 Podstawowe zasady ochrony radiologicznej przy narażeniu zewnętrznym i wewnętrznym, ocena narażenia... 4 1.2 Uzasadnienie działalności związanej z narażeniem;... 5 1.3 Zasada optymalizacji narażenia i dawki graniczne;... 6 1.4 Postępowanie z odpadami promieniotwórczymi... 9 2 Pojęcia stosowane przy ocenie narażeniana promieniowanie jonizujące... 15 2.1 Wprowadzenie... 15 2.2 Dawka równoważna... 16 2.3 Dawka efektywna... 18 2.4 D a w k a o b c i ą ż a j ą c a... 20 2.5 Obciążająca dawka efektywna.... 21 2.6 Zbiorowa ( kolektywna ) dawka efektywna jest to:... 22 2.7 Wielkości operacyjne stosowane do oceny narazenia... 24 3 Podstawy dozymetrii... 27 3.1 Powiązanie wielkości dozymetrycznych z wielkościami limitowanymi... 27 4 Przyrządy dozymetryczne... 30 4.1 Rodzaje przyrządów dozymetrycznych... 31 4.2 Detektory gazowe... 34 4.3 Porównanie podstawowych cech użytkowych detektorów gazowych... 36 4.4 Detektory scyntylacyjne i półprzewodnikowe... 37 4.5 Dozymetry osobiste... 37 4.6 Dozymetry z bezpośrednim odczytem... 38 5 Wzorcowanie przyrządów... 39 2

1 DOZYMETRIA: WIELKOŚCI, JEDNOSTKI, PRZYRZĄDY DOZYMETRYCZNE 3

1.1 Podstawowe zasady ochrony radiologicznej przy narażeniu zewnętrznym i wewnętrznym, ocena narażenia 4

1.2 Uzasadnienie działalności związanej z narażeniem; 5

1.3 Zasada optymalizacji narażenia i dawki graniczne; 6

Tabela 1.3-1. Zestawienie dawek granicznych: 8

1.4 Postępowanie z odpadami promieniotwórczymi 9

2 Pojęcia stosowane przy ocenie narażeniana promieniowanie jonizujące 2.1 Wprowadzenie Pojęcia stosowane przy ocenie narażenia wprowadzono w celu umożliwienia określania wartościdawek otrzymywanych przez pracowników i ludność. Jest to z kolei niezbędne dla umożliwieniaograniczenia prawdopodobieństwa wystąpienia efektów stochastycznych promieniowania doakceptowanego poziomu oraz dla umożliwienia uniknięcia efektów deterministycznych tzn.niepożądanej reakcji w narządach i tkankach człowieka. Pojęcia te są przede wszystkim potrzebne przy : 1. planowaniu pracy ze źródłami promieniowania; 2. retrospektywnej ocenie narażenia ludzi w celu wykazania, że przestrzegane są limity i ograniczniki 3. dawek oraz zachowywane określone w przepisach poziomy referencyjne. Podstawową wielkością mającą wpływ na stopień narażenia na promieniowanie jonizujące jest dawka pochłonięta tzn. ilość energii pochłanianej w tkance. Na efekt biologiczny mają także wpływjeszcze inne czynniki, a wśród nich współczynnik liniowego przekazania energii L (dawniej symbollet linear energy transfer). Liniowe przekazanie energii to średnia energia przekazywana lokalnieprzez naładowaną cząstkę, na odpowiednio małym odcinku drogi, podzielona przez długość tegoodcinka. Miarą tego jest gęstość jonizacji wzdłuż śladu cząstki jonizującej, a jednostką kevm 1. Depozycja energii przez naładowana cząstkę wzdłuż drogi jonizacji jest zależna od rodzaju i energii promieniowania. Dlatego dla oceny narażenia, w niektórych przypadkach, dawkę pochłoniętą należy mnożyć przez wynikający z tej zależności czynnik Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej (ICRP), ten zależny od rodzaju promieniowania czynnik, nazwała względną skutecznością biologiczną RBE (relative biological effectiveness).wartości RBE zostały określone jako stosunek dawek pochłoniętych dwóch rodzajów promieniowania dających, w identycznych warunkach napromienienia, ten sam określony efekt biologiczny. Innymi słowy, jest to wartość dawki promieniowania referencyjnego (dla którego przyjęto RBE=1) podzielonaprzez odpowiednią wartość dawki promieniowania rozpatrywanego, powodująca ten sam skutek. Pomnożoną przez RBE (ważoną wartości RBE to są właśnie te wagi) dawkę pochłoniętą nazwano dawką względnej skuteczności biologicznej (RBE dose) Dla celów ochrony radiologicznej czynnik RBE został zastąpiony w 1962r przez Międzynarodową Komisję Jednostek i Pomiarów Promieniowania (ICRU) czynnikiem jakości promieniowania QF (quality factor), (Raport ICRU10a). Czynnik RBE pozostawiono do stosowania w radiobiologii i w wypadkach napromienienia dużymi dawkami. Dla oceny narażenia ICRU wprowadziła jednocześnie do ochrony radiologicznej nową wielkość równoważnik dawki DE (dose equivalent ). Wielkość ta odniesiona do energii pochłoniętej w umownym punkcie pola promieniowania określona została wzorem: DE = D QF DF... [ rem ] (roentgen equivalent man, 1rem=0,01 Sv ) gdzie: D dawka pochłonięta w rozpatrywanym punkcie [rad] (radiation absorbed dose 1rad=0,01Gy); QF czynnik jakości promieniowania; DF czynnik rozmieszczenia dawki w tkance lub narządzie (distribution factor).... oznaczają, że była przewidywana możliwość stosowania innych czynników. 15

W 1971r ICRU (Raport ICRU 19), zgodnie z przyjętą zasadą oznaczania symboli jednoliterowo, zmienia symbol równoważnika dawki na H i czynnika jakości na Q i określa go wzorem: H = D Q N [Sv] gdzie: D dawka pochłonięta w rozpatrywanym punkcie [Gy]; Q czynnik jakości promieniowania; N iloczyn wszystkich innych czynników mających wpływ na efekt biologiczny.obecnie przyjmowane wartości czynnika Q w zależności od energii i rodzaju promieniowania podane są w Tabeli 1. 2.2 Dawka równoważna W 1991r ICRP (Publikacja 60) zmienia zasadę oceny narażenia na promieniowanie. Podstawą oceny zostaje średnia dawka pochłonięta w narządzie lub tkance, a nie jak było do tej pory, dawka w elemencie napromienianej masy. ICRP uważa, że w przedziale małych dawek średnia wartość dawki pochłoniętej w określonych narządach i tkankach wpływa na prawdopodobieństwo wystąpienia efektów stochastycznych w tych tkankach. Oparte jest to na przyjętej przez ICRP hipotezie LNT (linear non threshold). Hipoteza ta zakłada, że niema dawki progowej dla efektów stochastycznych, ostrość ich nie zależy od wartości dawki, a prawdopodobieństwo ich wystąpienia, w tym przedziale dawek, jest wprost proporcjonalne do tej wartości. Po przyjęciu dawki uśrednionej w tkance (narządzie) jako podstawy do oceny zagrożenia, zmieniono nazwę czynnika uwzględniającego wpływ rodzaju i energii promieniowania na efekt biologiczny, i nazwano go czynnikiem wagowym promieniowania oznaczając symbolem wr. Wyznaczoną z uwzględnieniem tego czynnika dawkę nazwano dawką równoważną, dla której przyjęto symbol H T. Wartości czynnika wagowego promieniowania zostały określone przez Komisję głównie na podstawie wyznaczonych wcześniej wartości RBE. Dla fotonów, elektronów i miuonów, których liniowe przekazanie energii nie przekracza 10keVμ m 1, przyjęto wr = 1 niezależnie od ich energii. Dla pozostałych przypadków wartości wr przyjęto takie same jak dla czynnika RBE. Oczywiście przy ocenie narażenia muszą być także brane pod uwagę reakcje tkanki tzn. efekty deterministyczne występujące po przekroczeniu pewnej dawki progowej, których ostrość jest proporcjonalna do wartości dawki. Przyjęte limity dawki efektywnej są w zasadzie tak ostre, że 16

przestrzeganie ich w większości przypadków zabezpiecza także przed efektami deterministycznymi. Może to jednak czasem być nie wystarczające.jeśli napromienienie jest niejednorodne, np. napromieniona jest mała powierzchnia skóry dużą dawką promieniowania małoprzenikliwego, mimo małej dawki równoważnej w tkance (składowa ta może mieć w tym przypadku nieistotny wpływ na dawkę efektywną ), lokalne zagrożenie jest znaczące i może być niebezpieczne. Dla uwzględnienia tego przypadku limit ustalony został dla dawki uśrednionej na powierzchni 1cm2 napromienionej skóry. Napromienienie może pochodzić zarówno od źródeł znajdujących się na zewnątrz (promieniowanie zewnętrzne) jak i wewnątrz (skażenia wewnętrzne) organizmu człowieka. Jeśli dawka jest wynikiem różnych rodzajów promieniowania o różnych wartościach wr, dawkę pochłoniętą należy podzielić na odpowiednie części, każda z własnym czynnikiem wagowym wr aby po zsumowaniu iloczynów (wrdt,r ) otrzymać całkowitą dawkę równoważną. Jest to całkowita średnia dawka pochłonięta w narządzie lub tkance DT,R ważona dla rodzaju i energii promieniowania jonizującego R. Wagą jest bezwymiarowy czynnik promieniowania wr. Określona jest ona wzorem: HT = ΣR wr DT,R Jednostką dawki równoważnej w układzie SI jest dżul na kilogram J kg 1. Specjalną nazwą jednostki dawki równoważnej jest siwert Sv. Wartości czynnika wr podane są w tabelach poniżej (zgodnie z przepisami [1] i [2]), oraz 3 (wg nowych zaleceń ICRP [3]) 17

2) cząstki neutralne lub naładowane dodatnio lub ujemnie, spotykane na dużych wysokościach (narażenie załóg lotniczych) powstające w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego z jądrami atomów, oraz spotykane w polu promieniowania wokół akceleratorów cząstek o wysokich energiach. 2.3 Dawka efektywna Prawdopodobieństwo wystąpienia efektów stochastycznych zależy nie tylko od wartości dawki równoważnej ale także od napromienionej tkanki (narządu). Stworzyło to potrzebę wyznaczenia wielkości, która będzie zależna od zróżnicowanego oddziaływania promieniowania na różne tkanki i pozwoli, z punktu widzenia potrzeby oceny skutku końcowego, na zsumowanie poszczególnych dawek równoważnych. Wielkość tą wyznaczono mnożąc dawki równoważne przez dodatkowy czynnik. Jest to ważona dawka równoważna (podwójnie ważona dawka pochłonięta).dawkę tą określiła ICRP w swoich zaleceniach po raz pierwszy w 1977r (Publikacja 26). Podwójnie ważona dawka pochłonięta w elemencie napromienionej masy została nazwana efektywnym równoważnikiem dawki i oznaczona symbolem H E. HE = ΣT wt HT gdzie: wt czynnik wagowy tkanki określający stosunek ryzyka wystąpienia stochastycznych efektównapromienienia tkanki (narządu) T do ryzyka wystąpienia tych skutków, przy jednorodnym napromienieniu tą samą dawką, całego ciała. HT średni równoważnik dawki w tkance (narządzie) T. Czynnik wagowy tkanki (narządu) ICRP [3] definiuje jako czynnik przez który należy mnożyć dawkę równoważną w tkance, przedstawiający względny udział tej tkanki (narządu) w całkowitym uszczerbku dla zdrowia, będącym wynikiem niejednorodnego napromienienia organizmu. Dawka jest ważona w ten sposób, że ΣTwT = 1 Wartości czynnika wyznaczono na podstawie epidemiologicznych badań występowania nowotworów po napromienieniu i oceny ryzyka efektów genetycznych. Wartości czynnika wt są wartościami średnimi dla obu rodzajów płci i mogą być stosowane do oceny narażenia we wszystkich grupach wieku osób narażonych zawodowo jak również poszczególnych osób z ludności. W 1991r w ślad za zmianą nazwy dawki podwójnie ważonej z równoważnika dawki na dawkę równoważną, ICRP (Publikacja 60) zastąpiła nazwę efektywnego równoważnika dawki na efektywną dawkę równoważną oznaczając ją symbolem E i określając ją niezmienionym wzorem: 18

E = Σ T wtht gdzie HT jest tym razem dawką równoważną w tkance T. ICRP (Publikacja 60) określiła wartości czynników wagowych tkanki dla dwunastu tkanek (narządów) oraz dla grupy określonych tkanek pozostałych. W dyrektywie UE [2] i w konsekwencji w polskich przepisach [1], dodano do tej grupy górną część jelita grubego Grupa pozostałe, podobnie jak tkanki oddzielnie wyszczególnione, obejmuje tylko te tkanki, które mogą być selektywnie napromienione i które są uważane za znaczące dla możliwości indukowania efektów stochastycznych. Wartości czynnika wagowego tkanki wt podane są w tabelach ( przepisy polskie [1]) i 5 (aktualne zalecenia ICRP [3]). Tabela 5.3-1. Wartości czynnika wagowego tkanki w T w g. Rozporządzenia R.M.[1] Wszystkie czynniki modyfikujące dawkę pochłoniętą w celu właściwego uwzględnienia, przy ocenie narażenia, sumarycznego efektu biologicznego zostały wyznaczone dla standardowego osobnika napromienionego w określonych, standartowych warunkach, nazwanego osobnikiem referencyjnym. 19

Pamiętać, więc trzeba, że rzeczywista ocena w konkretnym przypadku może odbiegać od standardu. Komisja wyraźnie podkreśla, aby przy dużych dawkach (powyżej 100mGy) kiedy można spodziewać się reakcji w tkance opierać się przy ocenie narażenia na wartościach dawki pochłoniętej i brać pod uwagę odpowiednie wartości czynnika RBE. 3) Do celów obliczeniowych pozycja pozostałe obejmuje następujące tkanki (narządy): nadnercza, mózg, górną część jelita grubego, jelito cienkie; nerki, mięśnie, trzustkę, śledzionę, grasicę, macicę lub inne), które mogą zostać napromienione selektywnie. 4) W wyjątkowych przypadkach, kiedy pojedyncza tkanka (narząd) należąca do pozycji pozostałe otrzymuje dawkę równoważną przekraczającą największą dawkę w dowolnym z wymienionych w tabeli dwunastu narządów, dla których wyznaczono określone wartości wt, należy do tej tkanki (narządu) zastosować czynnik wagowy równy 0,025 oraz czynnik 0,025 do średniej dawki w reszcie tkanek (narządów) z pozycji pozostałe. 5) pozostałe tkanki (narządy) to: nadnercza, sąsiedztwo klatki piersiowej, woreczek żółciowy, serce, nerki, węzły limfatyczne, mięśnie, błona śluzowa w ustach, trzustka, prostata, jelito cienkie, śledziona, grasica, macica/szyjka. 6) Zamiast...lub inne... powinno być :...może ona obejmować także tkanki, które mają znaczenie dla możliwości indukowania efektów stochastycznych oraz mogą być napromienione selektywnie. ( Błąd w tłumaczeni Dyrektywy 96/29, w Rozporządzeniu R,M.[1]). Dawka efektywna to wynik sumy napromienienia organizmu od źródeł zewnętrznych i wewnętrznych. Gdy przy ocenie narażenia w rachubę wchodzi jedynie narażenie zewnętrzne, sprawa kontroli jest tak samo prosta jak przy ocenie dawki równoważnej. Przy pomiarach indywidualnych dawkomierz umieszcza się w reprezentatywnym miejscu na korpusie ciała (najczęściej na wysokości klatki piersiowej) i mierzy się równoważnik dawki Hp(10)7), który przy równomiernym napromienieniu odpowiada dawce efektywnej. Gdy zachodzi potrzeba oceny składowej narażenia od źródeł promieniowania znajdujących się wewnątrz organizmu sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana, niezbędnym jest wtedy wyznaczenie tzw. dawki obciążającej. 2.4 D a w k a o b c i ą ż a j ą c a Dawka obciążająca określa całkowite narażenie organizmu w interesującym nas okresie czasu. Jeśli ten okres nie jest wyraźnie określony, przyjmuje się dla osób zawodowo narażonych okres równy 50 lat, i 70 lat dla pozostałych osób (również dla dzieci).dawkę obciążającą oblicza się zarówno dla dawek efektywnych jak i równoważnych. Obciążająca dawka równoważna. Dawka równa całce w czasie τ z mocy dawki równoważnej w tkance lub narządzie T, którą otrzymuje osobnik w wyniku wniknięcia do organizmu nuklidu promieniotwórczego. to moment wniknięcia nuklidu do organizmu τ czas odpowiadający rozpatrywanemu okresowi narażenia organizmu 20

2.5 Obciążająca dawka efektywna. Suma iloczynów obciążających dawek równoważnych HT i odpowiednich czynników wagowych tkanki wt Najczęściej rozpatrywany okres narażenia organizmu to 50 lat dla pracowników (osoby dorosłe ) i 70 lat dla ludności ( dzieci ). Podany przez IAEA wzór na całkowitą dawkę efektywną zawiera jedną nieścisłość, nie należy pisać znaku równości między dawką i równoważnikiem który jest jedynie jej wskaźnikiem. 21

Oznaczenie 50 mówi, że wzór dotyczy oceny narażenia pracowników, a dawka okresu 50 lat. Wzór na całkowitą obciążającą dawkę efektywną podaje w nieco zmienionej postaci także rozporządzenie [1]. gdzie: EZ dawka od narażenia zewnętrznego Pozostałe oznaczenia odpowiadają oznaczeniom we wzorze podanym przez IAEA [4]. Przy ocenie zawodowego narażenia interesują nas najczęściej dawki obciążające w okresie roku kalendarzowego tzn. okresu dla którego podane są w przepisach dawki graniczne.mimo, że interesuje nas w tym przypadku dawka obciążająca w roku kalendarzowym w którym nastąpiło wniknięcie, nie popełniamy dużego błędu korzystając z wartości podanych w przepisach dawek jednostkowych dla dużo dłuższego okresu czasu. Jeśli bowiem półokres fizyczny nuklidu jest krótki to na następne lata nic nie pozostanie, a jeśli jest długi, to to co pozostało, zostało pesymistycznie uwzględnione w obliczonej dawce obciążającej w danym roku. W bardzo rzadkich przypadkach przy ocenie obciążającej dawki efektywnej, należy uwzględniać składową promieniowania mało przenikliwego Są to przypadki napromienienia znaczącymi dawkami promieniowania beta dużych powierzchni skóry. Jeśli nie jest to powierzchnia całego ciała, napromienioną powierzchnię skóry, należy podzielić przez całą jej powierzchnię i przez uzyskany w ten sposób czynnik pomnożyć zmierzoną dawkę. Interesuje nas bowiem składowa dawki efektywnej,, którą jest dawka równoważna, a więc średnia dawka w tkance. Składową tą należy jeszcze pomnożyć przez czynnik wagowy tkanki ( aktualnie dla skóry 0,01). Dla celów optymalizacji8) głównie w kontekście narażenia zawodowego wprowadzono pojęcie zbiorowej (kolektywnej) dawki efektywnej. 2.6 Zbiorowa ( kolektywna ) dawka efektywna jest to: Iloczyn liczby osób Ni w grupie i i średniej dawki efektywnej Ei w tej grupie osób narażonych od określonego źródła promieniowania. S i = N i E i Jeśli populacja narażonych od określonego źródła osób składa się z różnych grup, dawka zbiorowa tej populacji jest sumą dawek w poszczególnych grupach. Jednostką dawki zbiorowej jest osobo siwert. Wielkość ta jest stosowana głównie dla przeprowadzania procedury optymalizacji. Jest ona oparta na przyjętej, przy ocenie stochastycznych skutków promieniowania, hipotezie LNT (linear non treshold) i sens jej stosowania jest ostatnio mocno krytykowany. Została jednak utrzymana przez Międzynarodową Komisję Ochrony Radiologicznej ((ICRP). 8) Optymalizacja polega na utrzymywaniu dawek na jak najniższym, rozsądnym poziomie. Tzn. na poziomie takim, ze koszty ponoszone na ochronę radiologiczną są do zaakceptowania z 22

ekonomicznego punktu widzenia ( zysk przewyższa straty ). Jest to tzw. zasada ALARA ( as low as reasonable achievable taking economic and social consideration into account ). 23

2.7 Wielkości operacyjne stosowane do oceny narazenia 24

3 Podstawy dozymetrii 3.1 Powiązanie wielkości dozymetrycznych z wielkościami limitowanymi 27

4 Przyrządy dozymetryczne 30

4.1 Rodzaje przyrządów dozymetrycznych Tabela 2.1-1.Rodzaje detektorów najczęściej stosowane w ochronie radiologicznej 31

4.2 Detektory gazowe 34

4.3 Porównanie podstawowych cech użytkowych detektorów gazowych 36

4.4 Detektory scyntylacyjne i półprzewodnikowe 4.5 Dozymetry osobiste 37

4.6 Dozymetry z bezpośrednim odczytem 38

5 Wzorcowanie przyrządów 39