Le radiazioni ionizzanti e le grandezze fisiche di interesse in dosimetria I Parte

1. Le radiazioni ionizzanti e le grandezze fisiche di interesse in dosimetriaI Parte M. Giuseppina BisogniDosimetria AA 2013-2014

2. Strumenti di misura per la dosimetria

3. Sommario • Caratteristiche dei dosimetri • Principali rivelatori utilizzati come dosimetri Dosimetri per monitoraggio di area E personale

4. Dosimetro • Strumento in grado di misurare in modo diretto o indiretto • Esposizione • Kerma • Dose • Equivalente di dose • Derivate delle suddette grandezze • Sistema dosimetrico e’ composto dal dosimetro e dal suo sistema di lettura come parte integrante

5. Dosimetro ideale • Un dosimetro ideale e’ caratterizzato da: • Alta accuratezza e precisione • Linearita’ del segnale con la dose in un intervallo ampio di valori di dose • Bassa dipendenza da dose e rateo di dose • Risposta piatta in energia • Bassa dipendenza dalla direzione di incidenza della radiazione • Alta risoluzione spaziale • Elevato range dinamico

6. Incertezze • Accuratezza e precisione associate alla misura vengono espresse in termini della incertezza • L’incertezza di una misura caratterizza la dispersione del valore misurato e puo’ essere espressa tramite la deviazione standard Generalmente la quantita’dosimetrica Q nel punto Pe’ data da il valore della lettura dello strumento M e da Fi coefficienti di correzione e conversione • L’incertezza associata a QPe’dalla somma in quadratura di tutte le incertezze (statistiche e sistematiche)

7. Linearita’ • La lettura del dosimetro deve essere proporzionale alla quantita’ dosimetrica da misurare • Oltre un determinato intervallo tuttavia la linearita’ si perde • Questo effetto dipende da tipo di dosimetro e dalle sue caratteristiche fisiche • In generale un andamento non lineare deve essere corretto tramite un processo di calibrazione o attraverso l’uso di un lettore che compensa la non linearita’ del rivelatore.

9. Rateo di dose • La risposta di un dosimetro R= M/Q dovrebbe essere il piu’ possibile costante (indipendente) per diversi ratei di dose • Nella realta’cio’ non e’ sempre possibile e sono quindi richieste correzioni alla misura. • Ad esempio nelle camere a ionizzazione l’effetto di ricombinazione in fasci pulsati crea una dipendenza dal rateo di dose della risposta del dosimetro

10. Dipendenza dall’energia • La risposta di un sistema dosimetrico e’ in genere funzione dell’energia della radiazione (qualita’ della radiazione) • Dato che la calibrazione dello strumento avviene ad una data energia, la lettura deve essere corretta se la qualita’ del fascio dell’utilizzatore e’ diversa da quella del fascio di calibrazione • In generale la risposta dovrebbe essere piatta in un ampio intervallo di energie

12. Efficienza e sensibilità • Efficienza e’ data dal rapporto tra il numero di particelle rivelate e il numero di particelle incidenti • Sensibilità rapporto tra il valore di M (carica, corrente o altra unita’ di lettura…) e quello della grandezza G in base alla quale il dosimetro e’ tarato • Ad es. se un dosimetro e’ tarato in termini di H e fornisce un segnale in carica q la sensibilità e’ espressa come il rapporto q/H (C Sv-1) e sara’ tanto piu’ elevata quanto piu’e’ elevata q a parità di equivalente di dose. • In radioprotezione e’ necessario avere dosimetri molto sensibili

13. Risoluzione spaziale • Direzionalità • la dipendenza dalla direzione (angolo di incidenza) della radiazione della risposta di un dosimetro dipende dalle sue dimensioni fisiche e dai dettagli costruttivi • Risoluzione spaziale • La dose assorbita’ e’una grandezza definita in un punto • La misura ideale richiede il rivelatore ideale • Il risultato della misura puo’ essere attribuito ad un punto nel volume riferito come il punto effettivo di misura

14. Categorie di dosimetri • Dosimetri per radiazione X e gamma di energia compresa tra 10 keV e alcune decine di MeV • Dosimetri per misure di radiazione beta con energia fino ad alcuni MeV • Dosimetri per misure di neutroni, termici e veloci, con energie da 0025 eV fino a qualche decina di MeV

15. Camere a ionizzazione • Principio di funzionamento • I raggi X passano attraverso il mezzo (aria o altro gas) e subiscono attenuazione • Generate cariche di segno opposto tramite ionizzazione • La carica viene raccolta agli elettrodi polarizzati • La carica totale raccolta e’ proporzionale all’esposizione, proporzionale alla dose (Kerma) • La massa d’aria dipende dalla temperatura e dalla pressione (camera non sigillata)

16. Camera cilindrica • Camera Farmer • Cavita’ con gas • Circondata da un elettrodo esterno conduttore • Elettrodo centrale che raccoglie la carica

17. L’elettrodo esterno (wall) e l’elettrodo centrale sono separati da un isolante per ridurre la corrente di perdita quando viene applicata l’alta tensione • Viene introdotto anche un elettrodo di guardia per ridurre ulteriormente la corrente di perdita • Intercetta la corrente di perdita e la fa fluire direttamente verso massa, by-passando l’elettrodo centrale • Aumenta l'uniformità del campo elettrico nel volume della camera

18. elettrometro • Amplificatore operazionale con alto guadagno e feed-back negativo. Resistore o capacita’ sul ramo di feedback per la misura della corrente e della carica raccolta

19. Camera cilindrica • Design piu’ diffuso • Indipendente dalla direzione di incidenza della radiazione • Volume da 0.05-500 cm3 • Pareti sottili: ~0.1g/cm2 • Usata per elettroni, fotoni, protoni e fasci ionici • Dal monitoraggio di area a individuale

20. Camera a facce piane e parallele • Elettrodo di polarizzazione • Elettrodo di misura • Guard-ring • a) altezza separazione tra gli elettrodi • d) diametro dell ‘elettrodo polarizzante • m) diametro dell’elettrodo di raccolta • g) ampiezza del guard-ring • Consigliata per elettroni e dose superficiale di fotoni

21. Camera a pozzetto • Molto sensibile (usata anche in brachiterapia) • Volume elevati (circa 250 cm3) • Design flessibile per contenere diverse sorgenti • Calibrata in termini di rateo di kerma in aria

22. Camere segmentate • Es. PTW 2D array • Matrice di molti elettrodi (729) • Volume ciascuno: 5x5x4 mm3 • Calibrata in termini di dose

23. Altri Regimi di funzionamento • Contatori proporzionali usati soprattutto per spettroscopia gamma e beta • Contatori Geiger-Mueller per monitoraggio ambientale

24. Spettrometri a scintillazione 1. assorbimento di una particella nello scintillatore con produzione di eccitazioni e ionizzazioni; 2. conversione dell’energia dissipata in energia luminosa mediante il processo di luminescenza; 3. trasmissione dei fotoni verso il fotocatodo del fotomoltiplicatore; 4. assorbimento dei fotoni al fotocatodo ed emissione di elettroni; 5. moltiplicazione elettronica all’interno del fotomoltiplicatore; 6. analisi dell’impulso di corrente in uscita dal fotomoltiplicatore con un’opportuna catena elettronica USATI SOPRATTUTTO NELLA DOSIEMTRAI GAMMA PER MONITORAGGIO AMBIENTALE

25. Dosimetri a film • Film radiografico • Plastica sottile (200 um) ricoperta da una emulsione di cristalli di AgBr in gelatina (0.1-20um)

26. La luce trasmessa e’ funzione dell’opacita’ del film e si puo’ misurare in termini di densita’ ottica (OD) con strumenti chiamati densitometri • La densita’ ottica e’ definita come OD=log10(I0/I) ed e’funzione della dose • Il film fornisce una eccellente risoluzione spaziale in 2D • Usato in dosimetria qualitativa perche’ ha una risposta fortemente non lineare

27. Curva sensitometrica • Gamma: pendenza della curva nel tratto lineare • Latitudine: range di esposizione in cui il film risponde linearmente • Velocita’: esposizione richiesta per avere OD>1 al di sopra del livello di nebbia • Nebbia: OD della zona non esposta del film

28. Pellicole radiocromiche • Film autosviluppante (non richiede sviluppatori ne’ fissanti) • Contiene speciale colorante che viene polimerizzato e sviluppa un colore blu in seguito all’esposizione • Caratteristica simile a quella dei film tradizionali, necessita di calibrazione tramite densitometro • Piu’ comune e’ il film GafCromico

29. Dosimetri a luminescenza • Alcuni materiali conservano parte della energia assorbita in stati metastabili • L’energia viene in seguito rilasciata sotto forma di luce (UV, visibile o IR) • Il fenomeno e’ chiamato luminescenza

30. In base al ritardo nella emissione della luce in seguito alla stimolazione si hanno due tipologie di emissione: • Fluorescenza: ritardo da 10-10 a 10-8 s • Fosforescenza: ritardo oltre i 10-8 s

31. In seguito all’irraggiamento vengono prodotti elettroni e buche • Presenti trappole di raccolta nella gap proibita • Gli elettroni e e le buche liberate o si ricombinano oppure vengono intrappolate in questi siti

32. In seguito a stimolazione, aumenta la probabilita’ per gli elettroni di essere portati nella banda di conduzione • E rilasciare energia (luce) quando si ricombinano con una lacuna (intrappolata in un sito)

33. Il processo di luminescenza viene accelerato tramite eccitazione sotto forma di luce o calore • Se l’eccitazione avviene tramite riscaldamento, allora si parla di termoluminescenza • Quando usati come dosimetri, i materiali termo-luminescenti vengono chiamati TLD

34. TLD piu’ comunemente usati in applicazioni mediche o radioprotezionistiche sono (per la loro equivalenza al tessuto) • LiF:Mg, Ti • LiF: Mg,Cu,P • Li2B4O7:Mn • Altri usati per la loro alta sensibilita’ sono: • CaSO4:Dy • Al2O3:C • CaF2:Mn • Disponibili in varie forme e dimensioni (polveri, chip, barre…) • Devono essere “annhealed” (riscaldati) per cancellare segnali residui

35. Sistemi TLD Termogramma o “glow curve” • Stazione in cui e’ presente l’alloggiamento per il TLD e l’elemento riscaldante • Tubo PMT per la lettura della luce emessa in seguito al riscaldamento e convertita in segnale elettrico • Elettrometro per la misura della corrente del tubo

36. Il picco della glow curve per il LiF:Mge’ compreso tra 180 e 2600 C ed e’ il picco usato in dosimetria • La risposta dei TLD e’ lineare in un ampio range di dose tuttavia: • Ad alte dosi mostrano un andamento sopralineare • Oltre, saturazione • Devono essere calibrati e poi bisogna applicare fattori correttivi • Correzione per l’energia • Fading • Non-linearita’ con la dose

37. Rivelatori a tracce • Rivelatori passivi • Plastiche realizzate in forma di fogli (resine organiche, poliesteri, acetato di cellulosa, policarbonati…) di alcuni cm2 • La densita’ di ionizzazione e’ tale da danneggiare localmente il materiale. Il danno viene amplificato mediante trattamento chimico o elettrochimico • Il materiale piu’ usato e’ il CR-39 (polimero) • Usati per monitoraggio ambientale (particelle cariche pesanti, Radon, neutroni se ricoperti con 6Li o 10B)

38. Dosimetri a semiconduttore • La zona di svuotamento e’ di alcuni um di spessore • Quando il dosimetro viene irraggiato, le coppie e-h liberate producono un segnale di corrente • I diodi possono essere usati con o senza polarizzazione • In regime fotovoltaico (senza polarizzazione) si misura la caduta di potenziale generata che e’ proporzionale al rateo di dose

39. MOSFET • Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transistor • La radiazione ionizzante genera portatori nello strato di ossido • Le cariche liberate si muovono verso il substrato di Si e li’ vengono intrappolate • Questo porta ad un accumulo di carica che causa un cambiamento misurabile nel potenziale di soglia tra il gate e il substrato

40. Radiofotoluminescenza RPL • Materiali vetrosi (fosfati vetrosi) che, esposti alle radiazioni, liberano elettroni che vengono intrappolati in centri metastabili (attivatori, Ag) • Una volta stimolati con luce UV vengono eccitati. La diseccitazione comporta emissione di luce • Un tale rivelatore mantiene l’informazione inalterata anche per anni (a meno di eccitazioni esterna come riscaldamento a 4000) • Realizzati in piccoli volumi (< 1 cm3) per dosimetria personale • Dopo la lettura l’informazione non viene distrutta

41. Luminescenza Otticamente Stimolata (OSL) • Sostanze (ossido di Al, solfuri di alcalini) che, se stimolate otticamente dopo l’esposizione a radiazioni ionizzanti emettono luce visibile in quantita’ proporzionale all’energia ceduta dalla radiazione • Dopo la stimolazione i centri di luminescenza vengono svuotati in quanto gli elettroni si ricombinano con le lacune • Stimolata da luce visibile anziché dal calore (differenza con TLD)

42. Sistema di eccitazione e lettura OSL/RPL