26 ioniserende stralingen
TRANSCRIPT
Vlaams Congres van Leraars Wetenschappen 2000Diepenbeek
Frank Hardeman
Ioniserende Stralingen
Wat kunt u het komende uur verwachten?
Inleiding Basisbegrippen kernfysica
leidend tot: soorten stralingen en voornaamste eigenschappen
Enkele noties over detectie van straling Enkele proefjes en demo’s Toepassingen en veiligheidsimplicaties Afronding
Enkele nuttige referenties
G. Pfennig, H. Kleuwe-Nebenius, W. Seelmann-Eggebert: “Karlsruher Nuklidkarte”, Forschungszentrum Karlsruhe te bestellen via: Markdtienste Haberbeck GmbH
Industriestrasse 17, D-32791 Lage/LippeTel: (05232)6 12 28 Fax: (05232)6 84 45
Prof. Dr. J.D. Fast: “Energie uit Atoomkernen”Natuur en Techniek, Maastricht, 1980
Christian Hoenraet (red.): “De energiebronnen en kernenergie: Vergelijkende analyse en ethische reflecties”, Acco, Leuven, Amersfoort, 1999ISBN: 90-334-44349-X
Voor een excursie met de school: Isotopolis, Gravenstraat 73, 2480 Dessel: tentoonstelling over radioactiviteit, verwerking en berging van radioactief afval; verantwoordelijke: NIRAS
Wie ik ben en waar ik werk
Frank HardemanDepartementshoofd “Onderzoek van Beslissingsstrategieën”Studiecentrum voor kernenergie (SCK•CEN)Boeretang 2002400 BelgiëTel.: 014/33.28.51 Fax.: 014/32.10.56email: [email protected]
Activiteiten: Beleidsondersteuning: noodplanning, omgevingsmetingen enz.Medische toepassingen: nieuw project“Humane Wetenschappen”: nieuwe projecten
Basisbegrippen Stralingsfysica
1
Periodiek systeem van de elementen
Atoomstructuur Bouw van het atoom
12CKoolstof - 12 : 6 protonen (Z=6) en 6 neutroneneen ‘neutraal’ koolstof-atoom heeft 6 electronen rond de kern
Atoomstructuur (2)drie voorbeelden
Waterstof Uranium Koolstof
1H 235U 12C
Bij een vast aantal protonen, kan men het aantal neutronen N laten variëren: ISOTOPEN
12CKoolstof - 12 : 6 protonen (Z=6) en 6 neutronen
13CKoolstof - 13 : 6 protonen (Z=6) en 7 neutronen
14CKoolstof - 14 : 6 protonen (Z=6) en 8 neutronen
Opbouw van de nuclidenkaartisotopen
12C 13C 14C6
Zaantal protonen
Naantal neutronen6 7 8
Fragment uit de nuclidenkaart
Fragment uit de nuclidenkaart
Zaantal protonen
Naantal neutronen
Radioactief verval: de belangrijkste vervalwijzen
Onstabiel door
te weinig neutronen : bèta (+) vervalproton wordt omgezet in neutron
te veel neutronen : bèta (-) vervalneutron wordt omgezet in proton
te zwaar alfa vervaleen ‘stukje’ van de kern (2p+2n) wordt uitgezonden
spontane splijting
Bèta vervalproces dat zich afspeelt binnenin de kern
+ e + p n e-
-ν11
10
ν e+
+ + e + n p 10
11
β-
β+
+ e + Y X eAZ
AZ ν +
+−1
Bèta vervalontstaan van een nieuw element (dochterkern)
+ e + Y X e-A
ZAZ -ν1+β-
β+
Bèta-stralingspectrum van Natrium-24
Vervalwijzen van onstabiele kernen
β+ verval
β- verval
Alfa verval: uitzending van een He-kern: twee protonen en twee neutronen
α + Y X AZ
AZ
42
−−α
α + Ra Th 22488
22890
vb
Alfa-stralingspectrum van Thorium-228
Vervalwijzen van onstabiele kernen
α verval
De natuurlijke radioactieve alfa-stralers vervallen in verschillende stappen (alfa of beta) tot
stabiliteit: Uranium, thorium, radium
Gammastraling
Gammastraling ontstaat door verdere herschikking van protonen en neutronen in de kern
elektromagnetische golven
Neutronen
Neutrale deeltjes; instabiel Komen voor bij:
kernsplijting:spontaan (californium-252, ook U en Pu)kernreacties
neutronenbronnenalfastralers met lichte materialen
Bij versnellers: bijvoorbeeld: (p,2n)-reacties
Kernsplijting - kettingreactie
geabsorbeerd in controlestaaf, U-238, FP of structuurmateriaal ; of weg uit de kern
geabsorbeerd in controlestaaf, U-238, FP of structuurmateriaal ; of weg uit de kern
Straling in interactie met materiebelangrijkste eigenschappen
2
Interactie van straling met materie
ααlosmaken van electronen door elektromagnetische interactie: ionisatie (gedeeltelijk ook door excitatie)
ββlosmaken van elektronen door elektromagnetische interactie:ionisatie (gedeeltelijk ook door excitatie)
γγ fotoëlektrisch effect, compton effect: wegslaan van elektronenpaarvorming: vorming van elektron-positron paren
n botsingen met kernenexcitatie van kernen (gevolgd door straling, deeltjesuitstoot,splijting)
ionisatie door straling
een geladen deeltje of gamma maakt door interactie een electron losuit de invloedsfeer van een atoomkernhierdoor wijzigen de chemische eigenschappen van het atoom(of van de molecule)
Vrije weglengte in lucht van alfastraling, bètastraling, gamma- en neutronenstraling: typische waarden
α
β
γ
n
enkele centimeters
enkele meters
honderden meters
honderden meters
Vrije weglengte van alfastraling, bètastraling, en gammastraling in vaste stoffen en vloeistoffen:
typische waarden
α
β
γ
enkele tientallen micrometer
enkele tienden millimeter
tientallen centimeters
Doordringingsvermogen van alfastraling, gammastraling en bètastraling
Verschil tussen bestraling en besmetting
bestraling besmetting
definitie Bron steeds buiten het lichaam
De bron is opgenomen in het lichaam of op het lichaam
gevaarlijkste straling Straling met een groot doordringingsvermogen (door huid, kledij,...) : gamma's, neutronen
Straling die zijn energie in een klein gebied afgeeft aan het weefsel:vooral alfa's
blootstellingstijd Tijd in de nabijheid van de bron
Tijd van de aanwezigheid van de isotopen in het lichaam (verdwijnen via verval of uitscheiding)
controle en registratie Relatief eenvoudig Systematisch toepasbaar
Sterk afhankelijk van de isotopen; minder geschikt voor systematische controles
De absorptie van gammastraling en X-stralen is niet steeds dezelfde
Zeer sterk afhankelijk van de energie van de stralingbeperkte doordringing: X-stralen en laag-
energetische gamma’sgrote doordringing: hoog-energetische gamma’s
bijvoorbeeld: Co-60, Cs-137, fissieproducten Zeer sterk afhankelijk van de elektronendichtheid
van het materiaal (Z)Zeer goede afschermingen: Pb, W, verarmd UMinder goed, maar goedkoop en sterk te maken:
beton, water in bassin
Meten is weten:Detectie van straling
Metingen op basis van ionisatie
Gasdetectoren ionisatiekamersproportioneeltellersGeiger-Muller-tellers
Straling maakt lading vrij in gascelSpanning zorgt voor versnelling/vermenigvuldiging
Vaste stof detectoren: halfgeleidersSiliciumGermanium
Meting op basis van scintillatie of lichtimpulsjes
Sommige organische stoffenStilbeen, anthraceen, …..Gebruikt in vloeibare vorm of verwerkt in plastic
Sommige zouten en andere vaste stoffenNaI(Tl), ZnS
Tijd voor wat praktische voorbeelden….
Vorm van meetmonsters Keuze en constructie van detector Veiligheid van werknemer
Bij bestralingBij besmetting
Toepassingen in de industrie Toepassingen in de geneeskunde
De ideale vorm van meetbronnen
Alfa-straling: zo dun mogelijk; anders te veel zelfabsorptie in de
bronofwel: vloeistofscintillatie: oplossing zowel
detectievloeistof als meetmonster bevat
Beta-straling: analoog, maar minder kritisch Gamma-straling:
gewoon product in een geschikt recipiënt
Keuze en vorm van detector
Alfastraling dun venster zowel gasvormige als vaste detectoren bij voorkeur niet dik (geen invloed van gamma of beta
als zeer dun) Beta-straling
iets steviger venster mogelijk vaak enkel gebruikt voor besmettingsmeting via
gasvormige detectoren Gammastraling
als activiteit niet te hoog: vaste detectoren van behoorlijke dikte gevoeligst
als actiever: ook gasdetectoren
Veiligheid van de werknemer bij uitwendige bestraling
Alfastraling: bereik zeer klein in lucht en vaste stof: straling raakt niet boven (dode) opperhuid; dus: onschadelijk
Betastraling: bereik voldoende om door opperhuid te dringen: “beta-burns”; geen gevaar voor “vitale” organen
Gammastraling: straalt doorheen het hele lichaam Neutronenstraling: idem + grote kans op activatie
van elementen in het lichaam (Na, Cl, K, Fe etc.)
Veiligheid van de werknemer bij inwendige besmetting
Alfastraling: zeer lokaal: enkele cellenzeer gevaarlijkmoeilijk op te sporen: via excreta
Betastraling: minder lokaal, maar toch beperkte afstandminder schadelijkeveneens moeilijk op te sporen
Gammastraling: ook op grotere afstandSchade vooral in besmet orgaan, maar ook
naburige en verder gelegen organenmeetbaar met gevoelige detectoren
Toepassingen in de industrie
Diktemonitoring, keuze straling afhankelijk van materiaal en dikte (folies tot staalplaten)
Niveaubepaling in grote opslagtanks Lascontroles Bestraling van voedsel en geneesmiddelen voor
langere bewaring en sterilisatie Rookdetectoren
Toepassingen in de geneeskunde
Diagnose: Tc-99m (en andere)Molecules die bepaalde “tumor” zoeken en die
“gelabeled” zijn met een radio-isotoop Radiologie: X-stralenfoto’s Terapie: bestraling van tumoren
Schildklier: I-131Diepe tumoren: doordringende straling of
inbrengen bron Nog in onderzoek: terapie met gelabelede
moleculen Nieuwe toepassing: bestraling bij ballondilatatie:
ader bestralen met beta-straling
energieafzetting in materie ;geabsorbeerde dosis en equivalente dosis
de ernst van een bestraling wordt bepaald door de hoeveelheid lokaalafgezette energie
de ernst van de stralingsschade wordt bepaald door de hoeveelheid lokaal afgezette energie en de aard van de straling ; alfa's richten voor éénzelfde energieverlies veel meer schade aan dan bèta's en gamma's
geabsorbeerdedosis
equivalentedosis
J/kg Gray
(dosis (Gy) x radiologische wegingscoëfficiënt) Sievertde coëfficiënt is 20 voor alfa-straling, 1 voor beta- en gammastraling
Als je zelf een opstelling wil bouwen: waar op te letten
Alfabronnen: enkel zin als detector geschikt “verzonken” bron met degelijke garantie dat geen
besmettingsgevaar Pure betastraler: weinig nut Gamma-straling
Bron moet voldoende actief zijn om 1/r2 e.d. aan te tonen Bron mag niet te actief zijn, want geeft dosis
Steeds op letten: Koop geen bron die vergunningplichtig is Werk niet met open bronnen die besmetting kunnen geven Koop geen bron waarvoor je detector niet gevoelig is
Eenheden van stralingsactiviteit en dosis
aantal desintegraties per seconde Bq (Becquerel) (curie)
= equivalente stralingsdosis Sv (Sievert)
"activiteit"
"dosis"
Opmerking: 1 curie = de activiteit van 1 gram zuiver Ra-2261 curie = 3.7 E10 Bq
Verband risico/dosis bij hoge en lage stralingsdosisLineaire drempelwaarde - theorie
Inwendige blootstellingSpecifiek gedrag van radionucliden in het lichaam
Natuurlijke en kunstmatige radioactiviteit
3
Natuurlijke en kunstmatige radioactiviteitDe stralingsbelasting van de Belgische bevolking
Dosistempo ten gevolge van de gemiddelde achtergrondstraling in België
Evolutie van de inwendige besmetting met Cs-137 bij de Belgische bevolking
Pathways voor bestraling en besmetting
Natuurlijke radioactiviteitDe Uranium-238 reeks
Natuurlijke radioactiviteitDe Thorium-232 reeks
Schematisch model van een PWR(watergekoelde kernreactor)
Dosislimiteringssysteem van de ICRP voor praktijken en interventies