Medicinsk fysik p.1/21 Medicinsk fysik Strålingsbeskyttelse ved accelerationsanlæg Søren Weber Friis-Nielsen 3. maj 2005 weber@phys.au.dk
Indhold Medicinsk fysik p.2/21 Overblik over strålingstyper Doser og dosisrater Strålingstyper i detaljer Aktivering Afskærmning Overvågning
Strålingstyper i elektron acceleratoranlæg Medicinsk fysik p.3/21 Kollision mellem primær elektronstråle med energi E 0 og stof (target, beamrør,... ) medfører stråling: Fotoner, γ, i form af bremsestråling Neutroner, n Muoner, µ ± Sjældnere: mesoner, brint- og heliumisotoper Desuden: Røntgenstråling fra mikrobølgesystemer (klystron, RF-kaviteter) Mulighed for aktivering (materialer, vand, luft, støv)
Doser Medicinsk fysik p.4/21 Energi afsat via ionisation i væv: 1 Gy = 1 J/kg Absorberet dosis D [Gy] Medtager faktor afhængig af vævstype og strålingsenergi Ækvivalent dosis H = D Q [Sv = 100 rem]. Medtager strålingstypen: Q = 1 for fotoner og elektroner Q = 10 for protoner Q = 20 for α Ved acceleratoranlæg benyttes maksimal middel ækvivalent dosis rate Ḣ [rem/uge]
Q-faktorer Medicinsk fysik p.5/21
Q-faktorer for neutroner Medicinsk fysik p.6/21
Dosisrater for typisk stråling Medicinsk fysik p.7/21 Ækvivalent dosis rater i rem/h givet for elektronstråleeffekt på 1 kw i afstanden 1 m fra target (afstandskvadratlov holder rimeligt). Bredden angiver variationen pga. materialetype og -tykkelse af forskellige targets.
Strålingstyper: Fotoner Lav elektronstråleenergi E 0 : Ionisation af target Høj E 0 : Bremsestråling EM kaskade B bremsestråling P pardannelse Kritisk energi, hvor de to bidrag lige store: E c = 800 Z+1.2 MeV Høj fotonenergi: E γ > 1.022 MeV e + e og kaskader Medicinsk fysik p.8/21
Strålingstyper: Neutroner Medicinsk fysik p.9/21 Løsrives fra targets kerner af bremsestrålingsfotoner for E 0 > 4 6 MeV (tunge kerner) 4 6 MeV < E 0 < 30 MeV Foto-nuklear resonans (kernen som helhed) 30 MeV < E 0 < 140 MeV Quasi-deuteron effekten (p-n par i kernen) E 0 > 140 MeV Foto-pion produktion, 300 MeV < E n < 1.1 GeV Lavt antal neutroner, men høj energi gennemtrængende, dominerer bag afskærmningen
Strålingstyper: Muoner Medicinsk fysik p.10/21 Skabes når bremsestrålingsfotoner har E γ > 211 MeV Stærkt fremadrettede (placering af afskærmning) Ingen problem når E 0 < 1 GeV For E 0 > 1 GeV kræves fra 1 til flere meter jern For E 0 > 10 GeV kræves mere ned 10 m jern Uhensigtsmæssigt, i stedet udnyttes multiple scattering i jernblokke og evt. øget afstand
Strålingstyper: Muoners rækkevidde Medicinsk fysik p.11/21
Strålingstyper: Andre partikler Medicinsk fysik p.12/21 Kun ved høje energier Typisk mesoner (pioner, kaoner,... ) samt brint- og heliumisotoper Stor forskel på afskærmning, så individuel vurdering af hver type nødvendig A priori vurdering af ækvivalent dosis rate: For relativiske partikler bruges data for elektroner For u-relativistiske partikler bruges LET o.l. Bestemmende faktorer er strøm og tværsnit. Lille tværsnit + stor strøm risiko for mætning af måleudstyr
Røntgenstråling fra mikrobølgesystemer Medicinsk fysik p.13/21 Klystroner er kilder til lav-energetisk, men intens røntgenstråling. Kraftige klystroner kan afskærmes med 2 5 cm bly. Accelererende kaviteter udsender intens røntgenstråling (SLAC: P 5 ). Passende afskærmning.
Aktivering Medicinsk fysik p.14/21 Sker for E 0 > 10 MeV. I hvor høj grad afhænger af energien og effekten af elektronstrålen. Aktivering fra fotoner via: Gigant resonansen Quasi-deuteron effekten Fotospallation (kaskade i kernen fordampning af nukleoner)
Aktivering: Materialers påvirkelighed Medicinsk fysik p.15/21 Vigtigt at vide, hvor let forskellige materialer aktiveres! Svære: Bly, alm. cement, aluminium, træ, plastik Moderate: Jern (stål, ferritter), kobber Lette: Rustfrit stål, tungsten, zink, guld, nikkel Ofte kun dele af materialer aktiveres Selvafskærmning
Aktivering af luft, støv og vand Medicinsk fysik p.16/21 Luft aktiveres lidt, lav tæthed, hyppig udskiftning, oftest neglicerbart Støv aktiveres lidt og betyder kun noget i meget sjældne tilfælde Vand som target eller i form af kølevand kan aktiveres: Hyppigste isotop er 15 O, som er kortlivet. 3 H og 7 Be har længere levetid og kan akkumuleres. Demineraliseringsfiltre ophober 7 Be og bør afskærmes.
Afskærmning: Neutroner og fotoner Medicinsk fysik p.17/21 Fotoner og neutroner har eksponentielt aftagende intensiteter (konstante strålingslængder) Højere massetæthed hurtigere aftagning (kortere strålingslængder) For medium-energi neutroner: Elastisk spredning på brint effektiv bremse. Optimalt 30 cm vand eller tilsvarende mængde brint i andet stof. Beton er vandholdigt.
Afskærmningsmaterialer Medicinsk fysik p.18/21 Hovedparametre: Pris og plads Beton Mange fordele: Svært at aktivere, billigt, tilgængeligt, kan formes efter behov. Jord Lavere tæthed end beton, men naturligt forekommende, lige for hånden for underjordiske anlæg. Ækvivalente Sand, mursten, sten, beriget beton. Ækvivalent længde: X materiale = ρ beton ρ materiale X beton. Tættere Stål, bly (typisk i døre, men blødt), tungsten (tættere men lettere at aktivere)
Afskærmning ved ASTRID: Injektion Medicinsk fysik p.19/21
Afskærmning ved ASTRID: Betonblokke Medicinsk fysik p.20/21
Overvågning Medicinsk fysik p.21/21 Personlige Individuel overvågning: Film (γ, n), gamma lomme ionisationskammer Stationære Intensitet, tidsfaktor, sikkerhedsnedlukning og alarm: Typisk ionisationskammer Transportable Steder hvor stationær ikke når: Typisk Geiger-Müller tæller, god til generel detektion, ikke god til intensitetsmåling og ved høje intensiteter mulig mætning. Redundans i form af både antal og typer godt til at fange fejl.