99 7 SÄTEILYN KÄYTTÖ Radioaktiiviset aineet ja ionisoiva säteily kuuluvat ihmisen elinympäristöön. Haittavaikutuksista huolimatta säteilyä käytetään myös hyödyksi. Suomessa säteilyn käyttö voidaan jakaa kolmeen osaan: 1. Teollisuus ja tutkimus (~ 50%) 2. Terveydenhuolto (~ 40%) 3. Eläinröntgentutkimus (~ 10%) On huomattava, että ydinenergian tuotanto ei ole säteilyn käyttöä. Säteily energiantuotannossa on vain haitallinen sivutuote. 7.1 TEOLLISUUS JA TUTKIMUS Teollisuudessa käytetään röntgen- ja gammasäteilyä erilaisten metallirakenteiden laadunvalvontaan. Säteilyn avulla voidaan paljastaa hitsaus- ja valuvirheitä tai rakenteiden halkeamia esimerkiksi paineastioissa, laivoissa, siltarakenteissa tai lentokoneissa. Tällaisen tarkkailun hyvä puoli on se, että se voidaan tehdä rakenteita rikkomatta. Periaate näissä tutkimuksissa on sama kuin lääketieteellisissä röntgen- ja gammakuvauksissa. Erilaisten kohteiden kvalitatiivisia ja kvantitatiivisia koostumuksia analysoidaan teollisuudessa aktivointianalyysien avulla. Esimerkiksi neutroniaktivoinnissa tutkittavaa kohdetta pommitetaan neutroneilla, jolloin osa kohteen ytimistä sieppaa neutronin ja muuttuu radioisotoopeiksi. Radioisotoopien säteilyä mittaamalla voidaan päätellä, mitä aineita tutkittava kappale sisälsi ja myös aineiden pitoisuuksia.
100 Tehtävä: Auton moottorin teräksisen männänrenkaan massa oli 30,0 g. Rengasta säteilytettiin reaktorissa, kunnes sen 59 Fe-aktiivisuus oli 0,400 MBq. Aktivoitu männänrengas asennettiin tasan 9 vuorokautta myöhemmin koemoottoriin, joka sai käydä yhtäjaksoisesti 30,0 vuorokautta. Kokeen päättyessä mitattiin kampikammion öljyn 59 Fe-aktiivisuus, jonka todettiin olevan 12,6 hajoamista minuutissa /100 cm 3 öljyä. Kuinka paljon männänrenkaan aineesta oli siirtynyt öljyyn, kun öljyn kokonaistilavuus oli 6000 cm 3? 59 Fe:n puoliintumisaika on 45,1 vuorokautta. Vastaus: 1,72 g Radioaktiivisia nuklideja hyödynnetään teollisuudessa myös erilaisissa mittareissa, esimerkiksi tiheys- ja pinta-alamassan mittareissa. Paperi- ja selluloosateollisuudessa ionisoivaa säteilyä käytetään esimerkiksi paperin paksuusmittauksissa, joissa tutkitaan säteilyn vaimenemista paperissa. Vaimenemisen perusteella pystytään päättelemään paperin paksuus pysäyttämättä valmistusprosessia. Teollisuudessa tehdään myös kosteusmittauksia, jotka perustuvat neutronien ja vetyatomien välisiin kimmoisiin törmäyksiin. Neutronitörmäysten avulla voidaan mitata myös sitoutuneen veden ja kideveden määrä. Muovien polymerisoinnissa voidaan käyttää ionisoivaa säteilyä. Esimerkiksi paperin pinnalla levitettyyn ohueen pinnoitemateriaalikerrokseen ohjataan hiukkaskiihdyttimestä suihku, joka polymeroi pinnoitteen nopeasti. Näin pinnoite myös kiinnittyy hyvin paperiin. Elintarvike-, lääke- ja sairaalatarviketeollisuudessa käytetään ionisoivaa säteilyä pakkausmateriaalien ja tuotteiden sterilointiin. Kohteet voidaan säteilyttää suljetuissa pakkauksissa, jolloin säteily tappaa niissä olevat mikrobit, ja ne säilyvät avaamattomina steriileinä pitkään. Elintarvikkeiden säteilytys on herättänyt viime-
101 aikoina paljon keskustelua. Säteilysterilointi tappaa kyllä kohteessa olevat mikrobit, jolloin pilaantuminen ei enää jatku, mutta mikrobien jo tuottamat myrkyt jäävät jäljelle. Lisäksi on väitetty, että säteily muuttaisi valkuaisaineita ihmiselle haitallisiksi samalla tavoin kuin rasvassa käristäminen. Elintarvikkeiden säteilytys onkin Suomessa kielletty lukuunottamatta mausteita ja sairaalaruokia. Edellä mainittuja aktivointianalyysejä käytetään myös muilla aloilla kuin teollisuudessa haluttaessa selvittää jonkin kohteen alkuainekoostumus tarkasti kohdetta rikkomatta. Esimerkiksi arvokkaiden taulujen aitouden selvittämisessä hyödynnetään aktivointianalyysiä. Taideteosta pommitetaan hiukkaskiihdyttimestä saatavalla ionisuihkulla, jolloin tapahtuu erilaisia reaktioita, joissa osa ytimistä muuttuu radioaktiivisiksi. Analysoimalla syntyvää säteilyä saadaan tietoa teoksen sisältämistä alkuaineista. Näin voidaan tunnistaa onko maalauksessa käytetty esimerkiksi moderneja synteettisiä maaleja. Lisäksi voidaan selvittää millainen on vanhojen öljymaalien koostumus. Samaa periaatetta voidaan soveltaa myös selvitettäessä esimerkiksi muinaisilta ajoilta peräisin olevien esineiden alkuainekoostumusta, jolloin pystytään päättelemään niiden valmistuspaikka. Kemiassa ja biologiassa käytetään radionuklideja merkkiaineina ja aktivointianalyysejä pienten ainepitoisuuksien mittaamiseen. Tutkimuksessa esimerkiksi hiilen ja vedyn radioaktiivisilla isotoopeilla tutkitaan ravinteiden kulkeutumista kasveissa. IÄNMÄÄRITYS Radioaktiivisuutta voidaan käyttää hyväksi määritettäessä geologisten, biologisten ja arkeologisten näytteiden ikää. Minkä tahansa radionuklidin hajoaminen on ympäristöstä riippumaton, jolloin radionuklidin ja sen hajoamisen seurauksena syntyvän pysyvän
102 tytärnuklidin lukumäärien suhde näytteessä riippuu näytteen iästä. Mitä suurempi on tytärnuklidin osuus sitä vanhempi on näyte. Tarkastellaan seuraavassa miten biologisten ja arkeologisten näytteiden ikää voidaan arvioida radiohiilimenetelmällä, jossa käytetään hyväksi hiili-isotooppia 14 C. Kosminen säteily (aurinko) tuo ilmakehään jatkuvasti protoneita, jotka törmäilevät ilmakehän atomiytimien kanssa synnyttäen uusia hiukkasia, esimerkiksi neutroneja. Nämä neutronit voivat reagoida ilmakehän typen kanssa, jolloin muodostuu radioaktiivista hiiltä 14 C ja syntyy protoni seuraavan reaktion mukaisesti N n C p 14 1 14 1 7 0 6 1 Syntyvä protoni vangitsee elektronin ja näin syntyy vetyä. Radiohiilessä on liian monta neutronia, jotta se olisi pysyvä ja se hajaantuukin beetahajoamisella typpi-ioniksi 14 N puoliintumisajan ollessa 5730 vuotta. Vaikka radiohiiltä koko ajan hajoaa, sitä myös syntyy kosmisen säteilyn vaikutuksesta lisää, niin että sen määrä ilmakehässä säilyy vakiona. Hyvin pian muodostumisen jälkeen radiohiiliatomit yhtyvät happiatomeihin muodostaen hiilidioksidia. Vihreät kasvit tarvitsevat yhteyttämiseen ilmakehän hiilidioksidia, joten jokainen kasvi sisältää vähän radiohiiltä. Eläinten syödessä kasveja radiohiiltä joutuu myös niiden elimistöön. Koska elävät organismit ottavat jatkuvasti lisää radiohiiltä ympäristöstä, hiili-isotooppien 14 C ja 12 C suhde säilyy niissä vakiona. Kun eliö kuolee, siihen ei enää tule uusia radiohiiliatomeja, sen sijaan siinä olevat atomit hajoavat koko ajan. Kun aikaa on kulunut 5730 vuotta, radiohiiliatomeista on enää puolet jäljellä. Määrittämällä radiohiilen ja tavallisen hiilen suhde näytteessä sen ikä voidaan selvittää. Radiohiilimenetelmää voidaan käyttää esimerkiksi muinaisten eläinten sekä orgaanista materiaalia sisältävien historiallisten ja
103 esihistoriallisten esineiden iän määrittämiseen. Mittauslaitteistojen on oltava tarkkoja, koska tutkittavat aktiivisuudet ovat hyvin pieniä. Vanhimmat näytteet, joita voidaan ajoittaa tällä menetelmällä, ovat jopa 50000 vuoden ikäisiä, jolloin niiden alkuperäisestä aktiivisuudesta on jäljellä enää noin 0,25%. Hiiliajoituksen luotettavuus riippuu siitä, kuinka hyvin ilmakehän radiohiilipitoisuus säilyy vakiona. Tämä taas johtuu maan magneettikentästä, jonka vaihtelut vaikuttavat ilmakehään pääsevien protonien määrään. Tehtävä: Radioaktiivinen 14 C syntyy maapallolle kosmisen säteilyn vaikutuksesta. Se hajoaa beetasäteilyllä, jonka maksimienergia on 0,155 MeV. Puoliintumisaika on 5730 vuotta. Luonnossa suhde 14 C/ 12 C on noin 10-12 ja sen oletetaan säilyvän suurinpiirtein vakiona. a) Laske 14 C:n beetasäteilyn (keskimääräinen absorboituva energia 1/3 maksimienergiasta) aiheuttama vuosiannos ihmisessä. Ihmisessä luonnon hiiltä on noin 15% kehon massasta. b) Radiohiiliajoituksessa näyte A on valmistettu yli 75000 vuotta vanhasta hiilestä, jossa ei enää ole jäljellä radioaktiivista 14 C:tä. Näyte B on peräisin tuoreesta puusta, ja näytteen C ikä on määritettävä. Aktiivisuusmittauksessa pulssilaskuri antoi tulokset: näyte A: 11808 pulssia 960 minuutissa näyte B: 21749 pulssia 180 minuutissa näyte C: 20583 pulssia 480 minuutissa Laske näytteen ikä. Vastaus: a) 6,5 µsv = 0,0065 msv, b) noin 10500 vuotta Koska radiohiilimenetelmän käyttökelpoisuus rajoittuu 50000 vuoteen, sitä ei voida hyödyntää geologiassa, jossa tarkastellaan jopa miljardeja vuosia vanhoja näytteitä. Geologisessa iänmäärityksessä on käytettävä pitkäikäisempiä radionuklideja. Taulukossa alla on annettu joitakin geologien käyttämiä iänmääritysmenetelmiä. Kaikissa tapauksissa on oletettava, että kaikki tutkittavasta kivestä löytyvät stabiilit tytärytimet ovat syntyneet emoytimien hajotessa.
104 Vanhimmat maapallolta peräisin olevat kivet, joiden ikä on pystytty radionuklidin avulla määrittämään, ovat Grönlannista ja niiden iäksi on arvioitu 3,8 miljardia vuotta. Kuusta tuotujen näytteista vanhimpien iäksi taas on arvioitu 4,6 miljardia vuotta. 7.2 TERVEYDENHUOLTO Lääketieteessä säteilyä käytetään sekä sairauksien havaitsemiseen että hoitoon. Sairauksien havaitsemiseen käytetään mm. röntgen- ja gammasäteilyä (röntgen- ja isotooppitutkimukset) ja sairauksien hoitoon esimerkiksi röntgen- ja beetasäteilyä (sädehoito). RÖNTGENTUTKIMUKSET Suomessa tehdään vuosittain keskimäärin yksi röntgentutkimus jokaista ihmistä kohti (4,2 milj. röntgentutkimusta ja 1,5 milj. hammaskuvausta). Keskimääräiseksi vuosiannokseksi arvioidaan kertyvän 0,5 msv. Röntgenkuvaus perustuu siihen, että säteily läpäisee eri tavalla erilaisia aineita. Mitä suurempi on aineen järjestysluku, sitä enemmän aine absorboi röntgensäteilyä. Eri kudokset, esimerkiksi
105 rasva, pehmeä kudos ja luu, erottuvat toisistaan, koska niiden vaimennuskertoimet ovat erilaisia. Röntgenkuvauksessa filmin tiettyyn kohtaan osuvan säteilyn intensiteetti riippuu siten kuvattavan kohteen materiaalijakaumasta. Kohteen läpäisseen säteilyn intensiteettijakauma muodostaa ns. primäärisen kuvan röntgenfilmille. Kun filmi kehitetään, säteilyn intensiteetin vaihtelut havaitaan filmin tummuuden vaihteluina. Röntgenkuvauksessa voidaan lisäksi käyttää hyväksi varjoaineita, esimerkiksi jodi- tai bariumpitoisia aineita. Varjoaineet muuttavat vaimennuskertoimia, jolloin niiden avulla saadaan näkyviin rajapintoja, jotka eivät muuten näkyisi. Tavallisessa röntgenkuvassa kolmiulotteisesta kohteesta muodostuu kaksiulotteinen projektio filmipinnalle. Syvyyssuunnassa peräkkäin olevat rakenteet kuvautuvat filmille päällekkäin. Tomografia- eli kerroskuvauksessa saadaan aikaan kuva kohteen halutusta tasosta liikuttamalla joko filmiä tai röntgenputkea. Kuva voidaan myös tallentaa tietokoneelle, jolloin kuvan laatua voidaan parantaa kuvanjkäsittelyohjelmilla. Tällöin puhutaan röntgentietokonetomografiasta. SÄDEHOIDOT Sädehoitoa saa noin 10 000 suomalaista vuosittain. Sädehoidossa eli röntgenterapiassa kohdistetaan suurenergistä röntgensäteilyä syöpäkudokseen. Tarkoituksena on tuhota syöpäkasvain. Huonona puolena on se, että samalla tuhoutuu myös tervettä kudosta. Perinteisen röntgenhoidon rinnalla käytetään nykyisin myös beetasäteilyhoitoa. Tämän hyvänä puolena on se, että lineaarikiihdyttimestä tai beetatronista saatavat elektronit voidaan ohjata tarkasti halutuun kohteeseen, jolloin sivuvaikutukset ovat pienemmät kuin röntgenhoidossa. Sädehoitoa annetaan myös sisäisesti viemällä säteilevä aine itse kohteeseen. Esimerkkinä radiojodin käyttö kilpirauhasen liikatoiminnan hoidossa.
106 ISOTOOPPITUTKIMUKSET Suomessa tehdään noin 50 000 isotooppitutkimusta vuosittain. Yhdestä tutkimuksesta aiheutuu potilaalle keskimäärin 4,2 msv:n annos. Isotooppitutkimuksessa käytetään radioaktiivisia isotooppeja merkkiaineina, joiden avulla tutkitaan elimistöä tai jotakin sen osaa. Koska atomien kemialliset ominaisuudet määräytyvät niiden elektronirakenteen perusteella, aineiden radioaktiivisilla ja stabiileilla isotoopeilla on samat kemialliset ominaisuudet ja ne leviävät elimistöön samalla tavalla. Radioaktiivisten nuklidien leviämistä elimistöön on kuitenkin helppo seurata mittaamalla elimistöstä tulevaa gammasäteilyä. Leviämistä voidaan seurata joko mittaamalla suoraan potilasta tai mittaamalla potilaan eritteitä. Mittauksissa tutkitaan joko elinten tai kasvainten sijaintia ja kokoa tai niiden toimintaa. Tietyt radioaktiiviset aineet kulkeutuvat elimistössä tiettyyn elimeen, esimerkiksi jodi-isotooppi 131 I kerääntyy kilpirauhaseen. Siksi samaa isotooppia voidaan usein käyttää sekä kyseisen elimen tutkimiseen että elimessä esiintyvien sairauksien sädehoitoon. Käytettävien isotooppien puoliintumisajan on oltava sopiva. Toisaalta sen on oltava riittävän pitkä, että mittaus ehditään suorittaa ja toisaalta se ei saa olla liian pitkä, koska tällöin tarvitaan suuria aktiivisuuksia luotettavien tulosten saamiseksi ja potilaan saama annos kasvaa. Nuklidien elimistöön aiheuttama absorboitunut annos riippuu aktiivisuudesta, puoliintumisajasta ja syntyvän säteilyn energiasta. Puoliintumisaikana käytetään tässä yhteydessä biologista puoliintumisaikaa, jossa otetaan huomioon se, että nuklidi vähenee elimistössä nopeammin kuin fysikaalisen puoliintumisajan perusteella voitaisiin olettaa, koska nuklidia poistuu kehosta myös aineenvaihdunnan kautta. Useimmat käytettävät nuklidit lähettävät gamma- ja
107 beetasäteilyä. Potilan saama annos on sitä pienempi, mitä pienempi on beetasäteilyn energia, jolloin parhaita ovat pelkkää gammasäteilyä lähettävät nuklidit. Sopiva gammakvanttien energia on välillä 100 500 kev, koska tätä pienemmillä energioilla kvantit absorboituvat voimakkaasti elimistöön ja suurempia energioita on vaikeaa mitata käytettävillä ilmaisimilla. Taulukkoon on koottu joitakin tutkimuksissa ja hoidossa käytettyjä isotooppeja: Nuklidi T 1/ 2 E (kev) Tutkimuskohde 113 In 102 min 393 maksa istukka 125 I 60 vrk 28; 35 veri 131 I 8 vrk 364 kilpirauhanen, aivot, munuaiset 18 F 110 min 511 luusto, haima 51 Cr 14,5 vrk 320 veri 99 Tc 6 h 140 aivot, kilpirauhanen, haima, maksa, luusto Isotooppititkimuksessa potilaalle annetaan radioaktiivista ainetta joko suun kautta tai ruiskuttamalla lihakseen tai laskimoon. Aineenvaihdunnan välityksellä aine hakeutuu tutkimuskohteeseen ja ulkopuolisella ilmaisimella, esimerkiksi gammakameralla tai tuikeilmaisimella, tutkitaan aineen kertymistä. Viereisessä kuvassa radioaktiivinen aine on kiinnitetty merkkiaineeseen, joka hakeutuu luustoon. Gammakamerakuvista voidaan havaita luustossa mahdollisesti oleva kasvain Elimen toimintaa taas voidaan tutkia mittaamalla elimen
108 aktiivisuutta ajan funktiona. Isotooppitutkimusten etuna on se, että ne ovat kivuttomia ja aiheuttavat harvoin komplikaatioita. Ne aiheuttavat yleensä potilaalle pienemmän absorboituneen annoksen kuin röntgentutkimus. Isotooppimittauksissa havaitaan joko ytimen viritystilojen muutosten seurauksena emittoituvia gammakvantteja tai beetahajoamisessa syntyneen positronin törmäämistä elektroniin, jolloin seurauksena syntyy myös gammakvantteja (positronikuvaus). Laitteistoon kuuluu usein potilaan ympärillä pyörivä gammakamera, jolloin esimerkiksi tietokoneen avulla saadaan muodostettua poikkileikkauskuva kohteesta, kuten röntgentomografiassa. Radioisotooppeihin perustuvaa merkkiainetutkimusta käytetään muillakin aloilla kuin lääketieteessä. Sitä voidaan käyttää esimerkiksi kemiassa tutkittaessa kemiallisten reaktioiden etenemistä. Jos esimerkiksi reaktion lähtöaineisiin lisätään pieni määrä radioaktiivista merkkiainetta, se on helppo tunnistaa reaktion eri vaiheissa sen lähettämän säteilyn perusteella. Myös kasvinjalostuksessa ja lannoitetutkimuksissa käytetään hyväksi merkkiaineita, joiden avulla voidaan mm. selvittää ravinteiden kulkeutumista kasveissa ja maaperässä. 7.3 ELÄINRÖNTGENTUTKIMUS Suomessa pieneläimille (kissat, koirat,...) ja myös suuremmille (hevoset,...) tehdään noin 100 000 röntgentutkimusta vuosittain. Kuvauksissa ns. "kiinnipitäjälle" saattaa kohdistua merkittävä annos. Kiinnipitäjä ei saa olla alle 18 vuotias tai raskaana oleva. Kiinnipidon apuna käytetään hiekkasäkkejä ja erilaisia telineitä.