55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

Transkriptio

1 55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY 55.1 Radioaktiivinen hajoaminen ja säteily Atomin ydin koostuu sähkövaraukseltaan positiivisista protoneista ja neutraaleista neutroneista hyvin tiheästi pakkautuneina (ytimen säteen suuruusluokka on m); protoneja ja neutroneja kutsutaan nukleoneiksi ja nukleonien kokonaismäärä on ytimen massaluku. Sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheuttaa positiivisesti varautuneiden protonien välille hylkivän voiman, mutta nukleonien välillä vaikuttava vahva vuorovaikutus saa aikaan ydintä koossapitävän voiman. Sähkömagneettisen ja vahvan vuorovaikutuksen yhteisvaikutuksesta johtuu, että vain tietyn protoni- ja neutronimäärän sisältävät ytimet ovat stabiileja eli pysyviä. Muut ytimet ovat epästabiileja ja ne pyrkivät muuttumaan stabiilimmiksi spontaanisti hajoamalla. Koska ytimet hajotessaan lähettävät säteilyä (radiation), sanotaan ilmiötä radioaktiiviseksi hajoamiseksi ja epästabiileja ytimiä radioaktiivisiksi ytimiksi. Atomiydin voi olla perustilassa tai virittyneessä tilassa. Siirtyessään korkeammalta energiatilalta matalammalle ydin emittoi fotonin, jonka energia on alku- ja lopputilojen erotus. Tällaista fotonia kutsutaan gammafotoniksi (-kvantiksi) ja niistä koostuvaa säteilyä gammasäteilyksi. Viritystilan purkautuessa voi fotonin sijasta emittoitua myös nukleoni tai atomin elektroniverhosta irtoava elektroni. Viritystilaan ydin jää usein radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä, kun hajoamisessa vapautuva energia ei siirry kokonaan hajoamistuotteiden liike-energiaksi. Alfahajoamisessa ydin emittoi kahden protonin ja kahden neutronin muodostaman alfahiukkasen, joka koostumukseltaan vastaa heliumatomin ydintä. Alfahiukkasista koostuvaa säteilyä kutsutaan alfasäteilyksi. Hajoamisessa vapautuva energia jakautuu syntyneen tytärytimen ja alfahiukkasen liikeenergiaksi. Kokeellisesti on havaittu, että alfahiukkaset ovat monoenergisiä. Mikäli tytärydin jää hajoamisen seurauksena viritystilaan, voidaan kuitenkin saada useita energialtaan erilaisia alfahiukkasryhmiä. Viritystila purkautuu tyypillisesti gammakvantin emissiolla. Tarkasteltaessa alfa-aktiivisia isotooppeja täytyy siis huomioida myös niiden mahdollisesti lähettämä gammasäteily. Alfahajoaminen on yleistä raskailla ytimillä. Beetahajoamisessa ydin muuttaa koostumustaan siten, että sen varaus muuttuu mutta massaluku säilyy samana. β - -hajoamisessa ytimen neutroni muuttuu protoniksi, elektroniksi ja antineutriinoksi. β + - hajoamisessa ytimen protoni muuttuu neutroniksi, positroniksi ja neutriinoksi. Beetahajoamisessa emittoituvia elektroneja ja positroneja kutsutaan beetahiukkasiksi ja niistä koostuvaa säteilyä beetasäteilyksi. Neutriinoista ja antineutriinoista johtuen beetahiukkasten energiajakauma on jatkuva. Neutriinot ja antineutriinot vuorovaikuttavat vain heikosti väliaineen kanssa eikä niillä ole säteilysuojelun kannalta merkitystä. Myös beetahajoamisen yhteydessä tytärydin jää usein viritystilaan, jonka purkautuminen aiheuttaa gammakvantin emission. Lisäksi positronien annihiloituessa ympäröivän väliaineen elektronien kanssa syntyy sähkömagneettista annihilaatiosäteilyä, joka luokitellaan gammasäteilyksi. Alfa-, beeta- ja gammasäteily ovat ionisoivaa säteilyä eli ne kykenevät irrottamaan säteilyn kohteeksi joutuvan aineen atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä. Elävissä soluissa ionisaatio voi vaurioittaa solujen perimäainesta, DNA-molekyyliä. Pahimmassa tapauksessa vauriot voivat johtaa syöpään tai muuhun terveyshaittaan Hajoamislaki, puoliintumisaika ja aktiivisuus Mitattaessa radioaktiivisen lähteen emittoimaa säteilyä havaitaan, että ilmaisimen aikayksikössä rekisteröimien säteilyhiukkasten lukumäärä vaihtelee jonkin keskimääräisen arvon ympärillä. Tämä vaihtelu osoittaa, että emissiotaajuus, ja siten myös lähteessä tapahtuvien radioaktiivisten hajoamisten taajuus, on tiettyä jakaumaa noudattava satunnaismuuttuja.

2 Hajoamisvakio λ on todennäköisyys sille, että radioaktiivinen ydin hajoaa aikayksikössä. λ on isotoopille ominainen, ajasta riippumaton vakio. Koska λ on ajan suhteen vakio, lähteessä olevien tietyn isotoopin radioaktiivisten ytimien lukumäärä N vähenee ajan t funktiona eksponentiaalisesti: N λ t ( t) = N 0 e. (1) Kaavassa N 0 on ytimien lukumäärä tarkastelun alkuhetkellä t = 0. Kaavaa (1) kutsutaan hajoamislaiksi. Puoliintumisajalla t 1/2 tarkoitetaan aikaa, jonka kuluessa tietyn isotoopin radioaktiivisten ytimien lukumäärä lähteessä on vähentynyt puoleen. Kaavasta (1) saadaan puoliintumisajaksi ln 2 t 1 2 =. (2) λ Lähteen aktiivisuus A määritellään aikayksikössä tapahtuvien hajoamisten lukumääränä A( t) = λ N( t). (3) Aktiivisuuden SI-yksikkö on 1/s, jonka erityisnimi on Becquerel (Bq); vanha yksikkö on Curie (Ci), 1 Ci = 3, Bq Säteilyannos Absorboitunut annos Osuessaan väliaineeseen, esimerkiksi kudokseen, säteily ionisoi sen atomeja ja molekyylejä. Syntyneet ionit puolestaan luovuttavat saamansa energian edelleen väliaineeseen. Säteilyn vaikutukset väliaineelle riippuvat merkittävästi säteilyn väliaineeseen tuoman energian määrästä. Absorboitunut annos D määritellään tilavuusalkioon absorboituvan säteilyenergian E ja tilavuusalkion massan m suhteena: E D =. (4) m Absorboituneen annoksen SI-yksikkö on J/kg ja sen nimitys on Gray (Gy). Yksikköä voidaan käyttää kaikille säteilylajeille kaikissa väliaineissa. Vanha yksikkö on rad (radiation absorbed dose), 1 rad = 0,01 Gy. Annosnopeus on absorboitunut annos aikayksikköä kohti: dd D =. (5) dt Annosnopeuden SI-yksikkö on J/(kg s) = Gy/s Ekvivalenttiannos ja efektiivinen annos Eri säteilylajien samansuuruisilla absorboituneilla annoksilla on erilaiset biologiset vaikutukset. Absorboitunut annos ei siis sellaisenaan riitä kuvaamaan säteilylle alttiiksi joutumisesta aiheutuvaa terveydellistä vaaraa. Tähän tarkoitukseen määriteltyjä suureita ovat ekvivalenttiannos, jolla kuvataan

3 säteilyn tietylle elimelle tai kudokselle aiheuttamaa vaaraa, ja efektiivinen annos, jolla kuvataan säteilyn aiheuttamaa kokonaisvaaraa. Näihin suureisiin perustuvat Suomessa noudatettavat annosrajoitukset. Elimen tai kudoksen T säteilystä saama ekvivalenttiannos H T on painotettu summa siihen kohdistuvien eri säteilylajien R absorboituneista annoksista D T,R : H = w D,. (6) T R R T R Painokerroin w R kuvaa säteilylajin R energiansiirtokykyä; kertoimen arvot on koottu taulukkoon 1, josta nähdään, että painokerroin kasvaa erityisesti säteilyhiukkasen massan kasvaessa. Ekvivalenttiannoksen yksikkö on J/kg, josta tässä yhteydessä käytetään erityisnimeä Sievert (Sv). Taulukko 1. Eri säteilylajeille käytettävät painokertoimet ekvivalenttiannosta laskettaessa [1]. Säteilylaji Painokerroin w R Alfahiukkaset, fissiofragmentit, raskaat ytimet 20 Fotonit 1 Elektronit ja myonit 1 Protonit, E > 2 MeV 5 Neutronit, E < 10 kev 5 10 kev < E < 100 kev kev < E < 2 MeV 20 2 MeV < E < 20 MeV 10 E > 20 MeV 5 Säteilyn ihmiselle aiheuttaman haitan todennäköisyys riippuu ekvivalenttiannoksen lisäksi myös siitä, mihin kehon osaan säteily kohdistuu, sillä todennäköisyys haitan (esim. syövän) syntymiselle on erilainen eri elimissä ja kudoksissa. Säteilystä aiheutuvaa kokonaisvaaraa kuvaava efektiivinen annos E onkin määritelty painottamalla ekvivalenttiannoksia elinten ja kudosten T painokertoimilla w T : E = w T H T. (7) T Painokertoimen arvoja on taulukossa 2. Myös efektiivisen annoksen yksikkö on Sv (=J/kg). Vastaavasti kuin absorboituneelle annokselle määritellään myös ekvivalentti- ja efektiiviselle annokselle annosnopeus annoksena aikayksikössä (Sv/s). Siis esim. ekvivalenttiannosta tarkasteltaessa on annosnopeus dh H = T T dt. (8)

4 Taulukko 2. Elinten ja kudosten painokertoimet efektiivistä annosta laskettaessa [1]. Elin tai kudos Painokerroin w T Sukurauhaset 0,20 Punainen luuydin Paksusuoli Keuhkot Mahalaukku Virtsarakko Rintarauhaset Maksa Ruokatorvi Kilpirauhanen Iho Luun pinta 0,12 0,05 0,01 Muut kudokset ja elimet, yhteensä 0,05 Yhteensä Säteilyannokset Suomessa Suomalaisen keskimääräinen säteilyannos on noin 3,7 msv vuodessa. Tästä noin puolet aiheutuu sisäilman radonista, noin kolmannes luonnon taustasäteilystä (säteily maaperästä ja rakennusmateriaaleista, luonnon radioaktiivisuus kehossa ja kosminen säteily avaruudesta) ja loput säteilyn käytöstä terveydenhuollossa, lähinnä röntgentutkimuksissa. Esimerkkejä säteilyannosten suuruusluokista: Luonnon taustasäteilystä aiheutuva annosnopeus Suomessa on 0,04 0,30 µsv/h. Lennettäessä lentokoneella 2 km:n korkeudella on kosmisen säteilyn aiheuttama annosnopeus n. 5 Sv/h. Suojaustoimet, esim. sisälle suojautuminen, ovat tarpeen, kun annosnopeus ylittää 100 µsv/h. Suomessa voimassa olevan säteilyasetuksen (1512/1991) mukaan "Säteilyn käyttö tulee suunnitella ja järjestää siten, että siitä muulle kuin säteilytyössä olevalle henkilölle aiheutuva efektiivinen annos ei vuoden aikana ylitä arvoa 1 msv. Silmän mykiön ekvivalenttiannos ei saa vuoden aikana ylittää arvoa 15 msv eikä ihon minkään kohdan ekvivalenttiannos arvoa 50 msv." 1 Sv:n annos alle vuorokaudessa saatuna aiheuttaa säteilysairauden oireita, esim. väsymystä ja pahoinvointia. 6 Sv:n annos äkillisesti saatuna saattaa johtaa kuolemaan.

5 55.4 Säteilyltä suojautuminen Tärkeimmät säteilyltä suojaavat tekijät ovat etäisyys säteilylähteeseen ja säteilyä vaimentava väliaine. Säteilyn kantama riippuu säteilyn ja väliaineen ominaisuuksista: kantama pitenee säteilyhiukkasen energian kasvaessa ja lyhenee hiukkasen varauksen ja massan sekä väliaineen tiheyden kasvaessa. Alfasäteilyn kantama ilmassa on muutaman senttimetrin luokkaa; alfasäteily pysähtyy ihon kuolleeseen pintakerrokseen tai esim. paperiarkkiin. Beetasäteilyn kantama ilmassa on muutaman metrin luokkaa ja kudoksessa muutaman millimetrin luokkaa. Ulkoiselta beetasäteilyltä suojautumiseen riittää esim. muutaman millimetrin kerros alumiinia. Lyhyestä kantamasta johtuen kehon ulkopuoliselta alfa- ja beetasäteilyltä on yleensä helppo suojautua. Samasta syystä ne toisaalta ovat erityisen vaarallisia joutuessaan suoraan kosketukseen kehon kanssa, erityisesti elimistön sisällä, koska ne luovuttavat energiansa hyvin pienelle alueelle ja aiheuttavat siten suuren säteilyannoksen. Lisäksi on syytä huomioida, että alfa- ja beetalähteet emittoivat usein myös gammasäteilyä. Gammasäteily on huomattavasti alfa- ja beetasäteilyä läpitunkevampaa: sen kantama kudoksessa on kymmeniä senttimetrejä ja siltä suojautumiseen tarvitaan useiden senttimetrien kerros esim. lyijyä tai betonia. Pistemäisen gammalähteen tapauksessa on kuitenkin tärkeää huomata, että vaikka kantama ilmassa on pitkä (satoja metrejä), gammasäteilyn intensiteetti on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Tämä johtuu siitä, että gammasäteilyn, niin kuin muunkin sähkömagneettisen säteilyn, aaltorintama etenee pistemäisestä lähteestä pallomaisesti laajentuen Mittaukset Säteilylähteen aktiivisuuden määrittäminen gammasäteilyn avulla Arvioitaessa radioaktiivisen lähteen vaarallisuutta täytyy tuntea lähteen aktiivisuus sekä sen emittoiman säteilyn lajit ja energiat. Mikäli tiedetään, mitä radioaktiivisia isotooppeja lähde sisältää, saadaan kunkin isotoopin hajoamisessa emittoituvat säteilyhiukkaset ja niiden lukumäärät sekä energiat selville isotoopin hajoamiskaaviosta. Lähteen aktiivisuus täytyy kuitenkin yleensä määrittää kokeellisesti. Säteilynilmaisin eli detektori on laite, joka säteilyhiukkasen havaitessaan tuottaa jännitepulssin (ks. kurssimateriaalin liite A). Pulssitaajuus on pulssien lukumäärä aikayksikköä kohti. Liittämällä detektoriin pulssilaskuri saadaan laskettua pulssimäärä eli mittausaikana havaittujen säteilyhiukkasten lukumäärä. Detektori ei kuitenkaan havaitse kaikkia siihen osuvia hiukkasia; havaitsemistodennäköisyyttä kutsutaan detektorin efektiivisyydeksi ε. Radioaktiivisten hajoamisten lukumäärä mittausaikana noudattaa Poisson-jakaumaa (ks. kurssimateriaalin liite B). Tästä johtuen voidaan mitatun pulssimäärän n virhearviona käyttää sen neliöjuurta, siis n = n. Radioaktiivisen lähteen aktiivisuus A voidaan määrittää mittaamalla lähteen emittoiman gammasäteilyn pulssitaajuutta n. Oletetaan lähteen koko etäisyyteen nähden niin pieneksi, että lähdettä voidaan käsitellä pistemäisenä. Oletetaan lisäksi detektori niin pieneksi, että sitä voidaan kuvata tasona. Gammasäteilyin vuorovaikutustodennäköisyys ilman kanssa on niin pieni, ettei säteilyä absorboidu merkittävästi ennen sen osumista detektoriin. Tällöin detektorin havaitsema pulssitaajuus on Ω n = ε A n A, (9) 4π jossa n A on yhdessä hajoamisessa emittoituvien gammakvanttien lukumäärä ja Ω on se avaruuskulma, jossa lähde näkee detektorin. Jos detektorin pinta-ala on a d, voidaan kaava (9) kirjoittaa muotoon

6 ad n = ε A n A, (10) 2 4π r jossa r on detektorin etäisyys lähteestä. Kaavasta havaitaan, että mitattu pulssitaajuus on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Laboratoriotyössä määritetään isotoopiltaan tunnetun säteilylähteen aktiivisuus mittaamalla gammasäteilyn pulssitaajuutta etäisyyden funktiona Gammasäteilyn vaimeneminen väliaineessa Tarkasteltaessa säteilyltä suojautumista täytyy tuntea, miten säteily vaimenee väliaineessa. Tässä laboratoriotyössä käsitellään tarkemmin gammasäteilyn vaimenemista, sillä se on alfa- ja beetasäteilyä huomattavasti läpitunkevampaa ja siksi siltä on ulkoisena säteilylähteenä vaikeampi suojautua. Gammafotonin absorptiotodennäköisyys väliaineessa kasvaa väliaineen järjestysluvun funktiona ja pienenee fotonin energian funktiona. Gammasäteilyn intensiteetti (eli fotonikertymänopeus, 1/(s m 2 )) ϕ vaimenee säteilyn väliaineessa kulkeman matkan x funktiona eksponentiaalisesti: µ x ϕ( x) = ϕ0 e, (11) jossa ϕ 0 on intensiteetti ennen väliaineeseen osumista ja matkavaimennuskerroin µ on (väliaineesta ja fotonin energiasta riippuva) absorptiotodennäköisyys pituusyksikköä kohti. Detektorin mittaama pulssitaajuus on suoraan verrannollinen säteilyn intensiteettiin, sillä n = ε ϕ. (12) a d Laboratoriotyössä käytetään vaimentavana väliaineena lyijyä ja mitataan gammasäteilyn pulssimäärää lyijykerroksen paksuuden funktiona. Mittaustuloksista määritetään, kuinka paksu lyijykerros vaaditaan, jotta säteilyn intensiteetti laskee tiettyyn osaan alkuperäisestä Gammasäteilyn aiheuttama annosnopeus Kuten edellä todettiin, säteilyn ihmiselle aiheuttamaa haittaa kuvataan efektiivisellä ja ekvivalenttiannoksella. Niiden laskemiseksi (kaavoilla (6) ja (7)) tarvitaan absorboitunut annos, joka puolestaan voidaan arvioida detektorin mittaaman pulssitaajuuden avulla. Kaavojen (4) ja (5) mukaan annosnopeus on de D = dt. (13) m Energiaa siirtyy väliaineeseen fotonien absorboituessa, joten annosnopeus voidaan kirjoittaa muotoon a p D = ϕ m abs E, (14) jossa, a on tarkasteltavan tilavuusalkion pinta-ala, p abs on fotonien absorptiotodennäköisyys ja E on fotonien keskimääräinen energia. Tarkasteltaessa pientä tilavuusalkiota voidaan absorptiotodennäköisyys kirjoittaa muotoon

7 p abs = µ l, en jossa µ en (energia-absorptiokerroin) on energian absorptiotodennäköisyys pituusyksikköä kohti ja l on tilavuusalkion pituus. Saadaan siis ϕ a µ en l E D =, (15) a l ρ jossa ρ on väliaineen tiheys. Mitattu pulssitaajuus riippuu säteilyn intensiteetistä kaavan (12) mukaan, joten annosnopeus voidaan laskea pulssitaajuuden avulla kaavalla D = n E µ en. (16) ε ρ a d Tekijää µ en /ρ kutsutaan gammasäteilyn energia-absorption massakertoimeksi. Se on fotonin energialle ja väliaineelle ominainen vakio, jonka arvoja on taulukossa 3. Kaavaa (16) johdettaessa ei huomioitu säteilyn vaimenemista ja siroamista kehossa. Näin ollen sen antama tulos on arvio annosnopeudelle kehon pinnan lähellä. Laboratoriotyössä arvioidaan gammasäteilyn aiheuttama annosnopeus mitatun pulssitaajuuden avulla ja verrataan sitä säteilyannosmittarin eli dosimetrin näyttämään lukemaan. Taulukko 3. Gammasäteilyn energia-absorption massakerroin µ en /ρ eri fotonin energioilla vedessä ja ilmassa [2]. Fotonin energia (MeV) µ en /ρ vedessä (10-3 m 2 /kg) µ en /ρ ilmassa (10-3 m 2 /kg) 0,1 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 2,55 3,30 3,21 3,10 2,83 2,61 2,28 2,32 2,97 2,88 2,79 2,55 2,34 2, Alfa- ja beetasäteilyn aiheuttama annosnopeus Annosnopeuden arvioinnissa voidaan myös alfa- ja beetasäteilyn tapauksessa käyttää kaavaa (14). Tässä työssä lähteet ovat tasomaisia ja ympyränmuotoisia ja ne on sijoitettu absorboivan väliaineen pinnalle. Tällöin voidaan olettaa, että säteily absorboituu sellaiseen sylinterin muotoiseen tilavuusalkioon, jonka pohja on lähteen kokoinen ja korkeus väliaineen paksuus. Käytettävän detektorin havaintopinta on selvästi lähdettä suurempi ja mittaukset tehdään hyvin lähellä lähdettä. Tällöin voidaan arvioida kaavassa (14) esiintyvää tilavuusalkioon aikayksikössä absorboituvien hiukkasten määrää kaavalla ( n 0 n ) a pabs =, (17) ε ϕ 1 jossa n0 on suoraan lähteestä mitattu vaimentumaton pulssitaajuus ja n 1 väliaineen läpäisseen säteilyn pulssitaajuus. Sijoittamalla tämä kaavaan (14) saadaan annosnopeudeksi

8 D = ( n n ) 0 1 ε m E. (18) Tässä laboratoriotyössä määritetään alfasäteilyn aiheuttama annosnopeus ohuessa mylarkalvossa, joka edustaa ihoa tai hengitys- tai ruoansulatuselimistön sisäpintaa. Beetasäteilylle lasketaan annosnopeus pleksilevyssä, joka edustaa luuta tai lihaskudosta. Lähteet [1] ICRP Publication 60, 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, Annals of the ICRP 21/1-3 [2] B. Shleien, L.A., Jr. Slaback, B. Birky, (toim.), Handbook of Health Physics and Radiological Health, 3rd ed., Lippincott Williams & Wilkins, 1998