Appunti completi radioprotezione

Radioprotezione A.A. 2020/2021

Radioprotezione = protezione rispetto alle radiazioni ionizzanti.

Radiazioni ionizzanti = radiazioni in grado di ionizzare gli atomi dei materiali che attraversano.

Una particella ionizzante, fotone**, neutrone, elettrone, protone, ione pesante, ecc., ha come “bersaglio” gli atomi costituenti del materiale che la radiazione ionizzante sta attraversando.

**Fotone: raggi X o γ.

Tutta la materia esistente, vivente o non che sia, è composta da atomi; un atomo ha un nucleo centrale, costituito da neutroni e protoni, attorno al quale ruotano particelle più leggere, elettroni.

Particelle elettricamente cariche: protone (+e**), elettrone (-e).

Particelle non cariche: neutroni.

**e = particella elettrica elementare.

Quando una particella ionizzante urta un bersaglio, come un atomo, questo perde uno o più elettroni, diventando così uno ione positivo.

Per ionizzare un atomo, si deve compiere un lavoro, fornire energia; in particolare: energia minima di ionizzazione = 13.6 eV (elettronVolt*), che equivale a 1.6 10⁻¹⁹ Joule.

*Unità di misura dell’energia in un sistema diverso da quello internazionale.

13.6 eV è l’energia sufficiente a ionizzare un atomo di idrogeno, infatti viene definito come potenziale di ionizzazione dell’atomo di H.

Si definiscono radiazioni ionizzanti tutte quelle particelle in movimento che hanno un'energia iniziale pari almeno a 100 eV.

Esempi principali di radiazioni ionizzanti

• Raggi X e raggi γ (gamma): sono fotoni, o onde elettromagnetiche di alta frequenza, hanno la frequenza maggiore di tutte le altre onde elettromagnetiche, e di conseguenza anche il valore di energia più alto.
• Neutroni: particelle interne ai nuclei atomici, che se viaggiano ad una certa velocità, si comportano come radiazioni ionizzanti.
• Particelle cariche:
  • Elettroni.
  • Protoni.
  • Particelle α: nuclei di Elio, che sono costituiti da 2 protoni e 2 neutroni.
  • Ioni Carbonio: nuclei di C costituiti da 6 protoni e 6 neutroni; vengono utilizzati per l'adroterapia, forma di radioterapia per la cura dei tumori, che sfrutta i protoni o gli ioni Carbonio, al posto dei raggi X.

E in generale tutte le particelle cariche “pesanti”.

Le suddette radiazioni ionizzanti hanno proprietà diverse tra loro.

Spessori di materiali che possono attraversare

• Particelle α: attraversano spessori molto piccoli, un foglio di carta le blocca.
• **Particelle β: bloccate da sottile foglio di metallo.
• Raggi γ: hanno la maggiore capacità di penetrazione, vengono bloccate da grandi spessori di metallo, o calcestruzzo, ad esempio muri da 1 metro.

**Nome generale che si dà agli elettroni e ai positroni, particella che ha uguale massa dell'elettrone, ma carica positiva.

Unità di misura delle radiazioni ionizzanti

Vengono impiegate differenti unità di misura in base a ciò che vogliamo descrivere.

Gray (Gy) per descrivere proprietà fisiche delle radiazioni ionizzanti, capire quanta energia viene attraversata nel materiale, quando un certo materiale è attraversato da radiazioni ionizzanti.

Sieverts (Sv): per capire i danni biologici provocati dalle radiazioni ionizzanti, quando attraversano le cellule del corpo umano, anziché un materiale qualsiasi.

Principali grandezze e unità di misura

Per quantificare effetti fisici/biologici delle radiazioni ionizzanti.

1. Esposizione (X)

L’esposizione (X) è una grandezza che riguarda solo i fotoni, che attraversano una certa quantità di aria.

La massa dell’aria Δm inizialmente neutra, quando viene attraversata da fotoni che ionizzano gli atomi, si creano delle coppie di cariche elettriche**; per ogni ione positivo si ha un elettrone corrispondente.

**Nel S.I. si misura in Coulomb.

Esposizione: X = Δq / Δm, dove q è la quantità di carica che si è creata dopo che la massa di aria Δm è stata attraversata dai raggi X o γ.

Nel S.I. l’esposizione si misura in Coulomb/Kg.

2. Dose assorbita (D)

Dose assorbita (D): rapporto tra energia assorbita dal bersaglio, “E” materiale attraversato dalla radiazione ionizzante, e la massa del materiale stesso (m).

D = E / m; nel S.I. la dose assorbita si misura in Joule/Kg = Gray (Gy).

L’energia che il materiale assorbe è l’energia impiegata dalle particelle ionizzanti per strappare elettroni dagli atomi del materiale stesso.

Quando una radiazione penetra in un materiale, ha una certa energia iniziale, data dalla sua energia cinetica; man mano che attraversa quel materiale, perde gradualmente energia.

Se il materiale è molto spesso, la radiazione perde tutta la sua energia, assorbita dal materiale, e si ferma, rimanendo nel materiale stesso.

Più frequente è il caso in cui il materiale non ha uno spessore elevato, oppure si impiega una radiazione ionizzante che ha notevole energia, e quindi attraversa completamente il materiale.

La quantità di energia persa dalla radiazione dipende da vari fattori: spessore del materiale, tipo di radiazione considerata, energia iniziale della radiazione ionizzante, ecc.

N.B. Ciò che conta per determinare gli effetti biologici non è la quantità di energia assorbita, ma la modalità di assorbimento.

Esempio: se un uomo di 70 Kg assorbe 4 Gray di radiazioni ionizzanti, ha altissime probabilità di morire; questa dose, che in radiazioni ionizzanti è mortale, corrisponde a un’energia di 67 cal, circa quella che assumiamo bevendo un sorso di caffè.

3. Dose equivalente (H)

Dose equivalente (H): quando i vari tipi di radiazione ionizzante che abbiamo visto, a parità di dose, attraversano le cellule del corpo umano, provocano differenti effetti biologici, danno.

A parità di dose, le particelle α sono più dannose rispetto ai raggi X e ai raggi γ.

La dose equivalente ci permette di tenere conto di queste differenze.

H = D · w_R; l’unità di misura di H è il Sieverts (Sv), dove w_R è il fattore di peso della radiazione, ossia un numero che è sempre ≥ 1, che tiene conto della diversa pericolosità di radiazioni differenti; questo valore dipende dal tipo di radiazione che consideriamo, e in alcuni casi anche dal valore di energia che la radiazione ha, per i neutroni.

Secondo una pubblicazione dell’ICRP* nel 2007, i valori di w_R delle diverse radiazioni ionizzanti sono:

• Fotoni ed elettroni = 1.
• Protoni = 2.
• Particelle α e ioni pesanti = 20.
• Neutroni, dipende dall’energia iniziale che hanno.

*ICRP = International Commission on Radiological Protection; è una commissione di esperti che si occupano delle radiazioni ionizzanti e radioprotezione.

Maggiore è w_R, maggiore è pericolosa la radiazione.

Esempio di come utilizzare i valori di w_R:

• Per raggi X e raggi γ, w_R = 1 e quindi se la dose assorbita è di 1 Gy, la dose equivalente sarà pari a 1 Sv.
• Per i protoni, se la dose assorbita è 1 Gy, la dose equivalente è pari a 2 Sv.
• Per particelle α e ioni pesanti, se la dose assorbita è 1 Gy, la dose equivalente è 20 Sv.

4. Dose efficace (E)

Dose efficace (E): tiene conto del fatto che anche i bersagli, in questo caso cellule umane, hanno diverse risposte alle radiazioni: esistono tessuti più radiosensibili**, e tessuti che invece sono più radioresistenti*.

**Più sensibili ai danni da radiazione, a parità di dose non riescono a riparare il danno provocato da esse.

*Riescono a riparare bene il danno causato dalle radiazioni.

E = (H₁ · w₁) + (H₂ · w₂) + (H₃ · w₃)... l'unità di misura è il Sieverts (Sv), dove ogni parentesi rappresenta un tessuto diverso del corpo umano.

H_i è la dose equivalente nel tessuto i-esimo; w_i è il fattore di peso tissutale i-esimo, ed è un numero < 1 che tiene conto della diversa radiosensibilità dei differenti tessuti.

Secondo una pubblicazione dell’ICRP nel 2007, i valori di w_i dei diversi tessuti sono:

• Midollo osseo, colon, polmone, stomaco, seno = 0.12.
• Gonadi, ovaie, testicoli = 0.08.
• Vescica, fegato, esofago, tiroide = 0.04.
• Superficie ossea, pelle, cervello, ghiandole salivari = 0.01.

Alto = tessuto radiosensibile. Basso = tessuto radioresistente.

P.S. Ricordare almeno 1 esempio di tessuto radiosensibile, e 1 di tessuto radioresistente.

Esempio di come utilizzare valori di w_i:

• Una persona viene irradiata con 1 Gy di raggi X ai polmoni, 0 Gy agli altri organi: E = (1 · 0.12) + 0 + 0 + … = 0.12 Sv.
• 2 Gy di protoni al cervello, 0 Gy agli altri tessuti: E = (4 · 0.01) + 0 + 0 + … = 0.04 Sv.

La dose efficace ci dà quindi un’idea del danno biologico che il corpo umano prende in base al tipo di tessuto irraggiato e al tipo di radiazione impiegata per l’irraggiamento.

5. LET (Linear Energy Transfer)

LET (Linear Energy Transfer) è il trasferimento di energia lineare; ci dice che ogni volta che una radiazione ionizzante attraversa un materiale, quanto vale l’energia trasferita dalla radiazione al materiale attraversato, per unità di percorso del materiale attraversato.

Si misura in KeV/µm; nel S.I. sarebbe Joule/m.

KeV = Kiloelettronvolt = 1000 elettronvolt.

µm = 1/1000 mm = 10⁻⁶ m.

• Fotoni, elettroni e protoni hanno basso LET, generalmente < 1 KeV/µm; quando questi attraversano un materiale, quindi, per ogni µm di percorso che fanno, rilasciano nel materiale una quantità di energia pari o inferiore a 1 KeV.
• Particelle α e ioni pesanti, come ioni C e Fe, hanno alto LET, generalmente > 100 KeV/µm; quando questi attraversano un materiale, quindi, per ogni µm di percorso che fanno, rilascia.