Aplicatii Didactice ale Dozimetriei Radiatiilor X

Radiația X, radiație electromagnetică ionizantă, de frecvență mai înaltă decât radiația ultravioletă, cu o mare penetrabilitate, joacă un rol important în studiul nedistructiv al diferitelor materiale. Larga sa răspândire în viața de zi cu zi și ionizarea importantă pe care o produce în țesuturile vii a dus la necesitatea cuantificării efectelor radiobiologice. Această lucrare se ocupă de prezentarea câtorva mărimilor dozimetrice folosite în cuantificarea efectelor biologice ale radiațiilor ionizante în general și a radiației X în particular. Principiile de funcționare a camerei de ionizare, a contorului proporțional sau a contorului Geiger-Müller pot fi ilustrate prin utilizarea condensatorului plan cu aer, iar dependenta dozelor de radiație X absorbite de țesuturile biologice de curentul catodic și tensiunea anodică pot fi evaluate cu dozimetrul

Cuvinte cheie: aplicații didactice, radiații X, dozimetrie, condensator plan, dozimetru.

***

I. Introducere

De la descoperirea radiațiilor X de către Wilhelm Röntgen cu mai bine de un secol și un sfert în urmă aria aplicațiilor acestora s-a extins de la medicină, studiul și descrierea materialelor până la astronomie. O mare parte a aplicațiilor razelor X pot fi prezentate în laboratoarele de fizica din învățământul liceal, universitar folosind aparatul de raze X al firmei Leybold(1). Aparatul cu raze X îndeplinește toate reglementările și reprezintă un instrument cu protecție deplină în vederea utilizării didactice fiind aprobat pentru utilizarea în școli. Tensiunea anodică aplicată tubului e activată și razele X sunt generate numai când toate circuitele de siguranță au fost închise. Doar ferestrele glisante din sticlă de plumb frontale pot fi deschise, acestea fiind securizate de două circuite de siguranță independente. În condiții de utilizare la maxim, cu valori ale tensiunii anodice de U=35kV și ale intensității curentului catodic de I=1 mA, valori monitorizate de un circuit de siguranță, ce nu pot fi depășite, iar rata dozei locale la o distanță de 10 cm de la suprafețele ce pot fi atinse cu mana, este mai mică decât 1 µSv/h(1). Este necesară totodată o instruire a elevilor și personalului ce folosește acest aparat cu privire la normele de radioprotecție.

Acest aparat este ideal pentru a ilustra principiile de funcționare ale detectorilor de radiații X precum si pentru a determina dependența unor mărimi dozimetrice in funcție de curentul catodic și tensiunea anodică, în clasele de elevi sau grupele de studenți

Fig. 1 Aparatul de raze X Leybold Didactic

II. Principiile dozimetrice în cazul interacțiunii radiației ionizante cu materia

Interacțiunea radiației ionizante cu materia poate avea loc sub forma ciocnirilor elastice sau neelastice, alte procese de împrăștiere coerentă-necoerentă, înainte sau înapoi specifice fiecărei tip de radiație, sau chiar formari de perechi de particule electron-pozitron pentru energii mari. Radiațiile penetrante (radiații X) sunt radiații neutre care pot pătrunde mult mai profund în material datorită dimensiunilor mici ale elementelor țintă, vitezelor mari ale radiațiilor proiectil și interacțiunilor mai rare decât în cazul radiațiilor încărcate.

Reacțiile de răspuns ale materiei vii la acțiunea radiațiilor poartă numele de efect radio-biologic. Radiațiile ionizante acționează asupra organismului prin acțiune directă, prin acțiune indirectă și prin acțiune la distanță. Datorită excitării directe sau ionizării sunt lezate macromolecule de importanță vitală – proteine, acizi nucleici. Acțiunea indirectă este declanșată de elemente ce apar în urma proceselor radio-chimice (ex. ionizarea apei). Ionii sau radicalii-produși de descompunere ai apei, sunt agenți oxidanți și reducători asupra unor componente celulare, perturbând desfășurarea normală a proceselor biologice. Dacă iradierea depășește limitele funcționale normale ale organismului are loc o dereglare a metabolismului care poate duce la moartea celulelor, țesuturilor sau chiar a organismului. Gradul de severitate al efectelor radiației depinde de durata expunerii, intensitatea radiațiilor, tipul radiațiilor, radiosensibilitatea organismului. Cele mai importante efecte ale radiațiilor ionizante ce afectează populațiile biologice sunt cele mutagene. Efectele mutațiilor, fiind cumulative și favorizate în special de genele recesive, fac să crească numărul cazurilor bolilor ereditare.

După posibilitatea punerii în evidență, efectele biologice se grupează în:

efecte nestochastice (nealeatorii)- efecte cu prag. Sunt caracterizate printr-o relație de cauzalitate determinantă între doză și efect. Efectele se manifestă când doza primită de țesut sau organism depășește o anumită valoare prag. Pentru un efect dat, valoarea acestui prag variază de la un individ la altul și în raport de condițiile de iradiere. Leziunile nemaligne ale pielii, cataracta, hipoplazia medulară sunt efecte nestochastice.

efecte stochastice (aleatorii)- efecte fără prag. Când o populație este iradiată, efectele nu apar decât la unii indivizi și acestea la întâmplare. Efectele somatice și cele ereditare sunt considerate ca stochastice în gama dozelor care interesează radioprotecția.

Pentru cuantificarea efectelor biologice ale radiației în general se folosește mărimea fizică denumită echivalentul dozei, ea fiind produsul dintre un factor de calitate bine precizat pentru fiecare tip de radiație si cantitatea de energie depusa de radiația ionizantă în unitatea de masă de țesut biologic. Daca iradierea este selectiva si sunt țintite doar anumite țesuturi atunci sumarea dozelor se face după ponderarea cu un coeficient specific fiecărui tip de țesut. Calculul debitului acestei unități de măsură se face prin împărțirea ei la durata iradierii. Unitatea de măsură pentru echivalentul dozei este Sievert (Sv). Ca unitate tolerată se mai poate utiliza si 1rem = 10-2Sv

Varietatea largă de detectori se bazează pe efectele produse de radiații la interacțiunea lor cu substanța. În activitățile nucleare se folosesc detectori bazați pe ionizarea gazelor și colectarea ionilor (camerele de ionizare, contori proporționali, contori Geiger-Muller), detectori bazați pe ionizarea cristalelor (contori cu cristal), detectori la baza cărora stă fenomenul de impresionare a emulsiilor fotografice (emulsii nucleare, filmele dozimetrice), detectori bazați pe fenomenul de luminiscență (contori cu scintilație), detectori bazați pe fenomenele de termoluminiscență și fotoluminiscență

III. Determinarea ratei medii a dozei folosind camera de ionizare și condensatorul plan din dotarea aparatului de raze X Leybold Didactic

Dozimetria este măsurarea cantitativă a efectelor ce sunt cauzate de razele X, la trecerea prin materie și care pot fi folosite pentru detectarea razelor X. Dozimetria este importantă atât în aplicațiile medicale și tehnice cât și în protecția împotriva radiațiilor.

Debitul razei de ioni poate fi măsurat într-un condensator plan cu aer, măsurând valoarea curentului de saturație de ioni. trebuie să determinăm curentul total de ioni Ic și masa m=ρ.V a volumului total iradiat. Razele X diverg când sunt propagate și sunt atenuate în aer. Măsurarea ratei dozei cere un efort mare. Este mai ușor să măsori rata medie a dozei de ioni:

<d>=

Volumul iradiat este de forma tronconica, dimensiunile fiind cunoscute. Pnetru calculul densității aerului se folosesc legile cunoscute ale termodinamicii pentru presiunea si temperatura care trebuie determinata la fiecare set de măsurători

Pentru efectuarea determinărilor se montează condensatorul plan in incinta experimentală a aparatului de raze X, după cum se poate observa și in fig. 3.

Fig. 2. Montajul experimental pentru măsurători dozimetrice folosind condensatorul plan

Condensatorul e conectat la amplificatorul pe care inițial s-a instalat un rezistor de 1gigaohm și la sursa de tensiune. Tensiunea de alimentare Uc este monitorizata folosind un voltmetru. Curentul dat de ionii ce se mișcă intre platanele condensatorului atunci când pe platanele acestuia este aplicată o diferență de potențial este transformată in tensiune de rezistoru, este amplificată și este citită cu ajutorul altui voltmetru UE.

S-a studiat variația curentului de ioni atunci când s-a variat tensiunea anodica si curentul catodic, unul din acești parametrii fiind ținuți constant. In ambele cazuri tensiunea de pe armăturile condensatorului a fost de 450V pentru a trece de zona de recombinare și a nu ajunge la platoul Geiger-Muller.

Ținând constantă tensiunea anodica la U=35kV s-au făcut determinări de doze medii pentru curenții catodici din domeniul 0-1mA cu pasul de 0,1 mA. După reprezentarea grafică a datelor, fig. 3, se poate observa o bună liniaritate a variației acestora, dată și de coeficientul de corelație de aproape 0,999.

Pe de alta parte, ținând constant curentul catodic la valoarea de I=1mA si variind tensiunea anodica in domeniul 5-35kV cu pasul de 2,5kV se obține o creștere a dozei mult mai rapidă decât cea liniară, putând fi bine aproximata cu o funcție polinomiala de ordin 4, coeficientul de corelație fiind peste 0,9999. Dependența dozei medii de tensiunea anodică, atunci când curentul catodic este constant se poate observa in fig. 4

IV Determinarea ratei medii a dozei folosind camera de ionizare dozimetrul DL-7

Pentru măsurarea expunerilor în diverse locuri de muncă cât și pentru controlul prezenței substanțelor radioactive pe echipamentul de lucru, se utilizează mijloace dozimetrice, constând în aparate portabile. Cele mai uzuale aparate , care folosesc contori  Geiger–Műller, sunt Dozimetrele portabile DL-7 și VA-J-15A.

Gamarad DL-7 (Fig. 2.2) este destinat măsurătorilor de debite ale expunerii externe în câmpuri de radiații Röntgen și gama în scopul radioprotecției personalului cu expunere profesională la radiații din unitățile nucleare.

Este utilizat în supravegherea zonelor de radiații (monitor), pentru măsurători de rutină ale debitelor expunerii, localizarea surselor de radiații și pentru sesizarea cazurilor de contaminare.

Aparatul dispune de două sonde echipate cu contori  Geiger–Műller, cu care acoperă un diapazon al debitelor expunerilor între 0 și 5mSv/h (0-500 mrem/h) pentru radiații de energii 0,05-3 MeV. Erorile de măsurare sunt de 30%. Operatorul este informat vizual și acustic. Pentru verificarea funcționalității, aparatul este dotat cu o sursă test de Am.

Sonda SG-1 a dozimetrului DL-7 a fost introdusă in camera de experimente a aparatului de raze X fiind poziționată pe orizontală , perpendicular pe orificiul de ieșire a razelor X generate de tub, dozimetrul propriu-zis a fost așezat in afara camerei experimentale fiind legat de sondă printr-un cablu flexibil ecranat.

Determinările experimentale au fost făcute pentru curenții catodici de 0, 0.5, 0.75, 1mA și pentru tensiunile anodice intre 14-22.5 kV ci pasul de 0.5kV. Pentru tensiuni anodice mai mici decât 14kV aparatul indica doar fondul natural, iar ratele dozelor determinate pentru tensiuni mai mari de 22.5kV erau peste limita de detecție a aparatului folosind sonda SG1. S-a folosit metoda de integrare lentă pentru a obține citiri mai exacte, iar timpii experimentali au fost aleși astfel încât aparatul sa ajungă la fluctuații ale acului cât mai mici.

Reprezentând grafic variația ratei dozei in funcție de curentul anodic (fig. 5) si trasând curba de regresie polinomiala de grad 4 se poate observa un factor de corelație de aproximativ 0,999, dependență ce a fost identificată și in observațiile folosind condensatorul plan.

Fig. 5. Dependenta ratei dozei provenite de la aparatul de raze X in funcție de tensiunea anodică la curenții catodici de 0.5 (galben), 0.75(violet) si 1mA(albastru)

Fig 6. Dependenta ratei dozei emise de aparatul de raze X in funcție de curentul catodic la tensiunile anodice de 17(albastru deschis), 19(violet), 21 kV (albastru inchis)

Făcând determinări pentru valorile selectate ale tensiunii anodice de 17, 19, 21kV si pentru valori ale curentului catodic ce a variat intre 0 si 1mA cu pasul de 0,1mA se obține o bună corelație liniară intre date cu o valoare apropiată de 0,99, după cum se vede si din figura 6. Cele mai mari deviații de la liniaritate sunt la U=17kV din cauza ratelor dozelor mici ce au dus la citiri imprecise. In cazul tensiunii catodice mari, de 21kV fluctuațiile sunt rezultatul necesității de trecere pe toate calibrele aparatului, ultimele calibre având variații mari intre gradațiile succesive.

V. Concluzii

Această lucrare se ocupă de prezentarea câtorva noțiuni fundamentale și aplicații de dozimetrie din laboratorul de fizica folosind aparatului de raze X al firmei Leybold Didactic și Dozimetrul portabil DL7, ce se pot prezenta în ciclul liceal sau universitar.

După o descriere succinta a efectelor biologice ale radiației ionizante sunt preyentate principalele mărimi dozimetrice si unitățile lor de măsură precum si familiile de detectori folosite în măsurătorile dozimetrice.

Principiul dozimetrului cu ionizare în gaz este ilustrat folosind condensatorul plan cu aer din componența aparatului de raze X Leybold Didactic, împreună cu circuitele electrice necesare funcționării acestuia. Folosind condensatorul plan cu aer sunt determinate legile de variație ale dozei la modificarea tensiunii anodice sau curentului catodic. În cazul variației curentului catodic se obțin variațiile liniare ale dozei, iar în cazul variației tensiunii anodice curbele interpolate sunt polinoame de grad 4. Pentru determinări exacte ale dozelor se folosește dozimetrul portabil DL7, acesta fiind calibrat pentru energii din domeniul razelor X si gamma. Și în cazul folosirii dozimetrului se obțin curbe de același tip, acestea ne mai fiind curbe principiale, și putându-se folosi în continuare în studiul efectelor radio-biologice.

Bibliografie:

Leybold Didactic Instruction Sheet 554811

Leybold Didactic Instruction Sheet 554861

Șerban, D. , 1987. Dozimetrie și radioprotecție, Oficiul de documentare I.C.E.F.I.Z, 1987.

www.anpm.ro › Radioactivitatea mediului › Radioactivitatea

euinvat.bluepink.ro/wp-content/uploads/…/detectorideradiatiinucleare.pp

Leybold Didactic Physics Leaflets P6.3.1.1

Leybold Didactic Physics Leaflets P6.3.1.2

Leybold Didactic Physics LeafletsP6.3.1.4