Radiación, dosis, efectos y riesgos

Radiación, dosis, efectos y riesgos
Dosimetría y protección radiológica. Terminología de la dosimetría. Efectos de la radiación. Unidades. Dosis de exposición y velocidad de dosis de exposición. Dosis absorbida. Relación dosis de exposición, dosis absorbida y actividad de la muestra. Transferencia de energía lineal (LET). Factor de peso de la radiación. Efectividad biológica relativa (RBE). Factor de calidad de la radiación. Dosis equivalente y dosis equivalente efectiva, colectiva y comprometida. Fuentes de radiación naturales y artificiales. Las problemáticas del radón y de la energía nucleoeléctrica. Dosis típicas de fuentes comunes en el medio ambiente. Dosis altas y de bajo nivel. Efectos tardíos. Dosis permisible máxima (DPM). Dosis aceptables en Radioterapia. Blindajes. Seguridad para la radiación en el Laboratorio. Elementos de Radiobiología. Teoría del target. Respuesta y cura en tejidos. Bibliografía: 5, 6, 7, 8 y 10.

UNSCEAR United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation ICRP International Comission of Radiological Protection ICRU International Comission on Radiological Units and Measurements SAR Sociedad Argentina de Radioprotección

Terminología “Radiation Units ad Quantities” Report 19, 1971 Ionizantes directamente = partículas cargadas con suficiente E y dE/dx  S Partículas Ionizantes indirectamente = partículas no cargadas y fotones, que producen partículas cargadas (por colisión o por reacción)

Radiación, dosis, efectos y riesgos.
Ionización se mide por la cantidad de ionización producida (hard) Interacción (= colisión) Excitación se mide por la cantidad de energía depositada en el material (soft) Ci =3, Bq A = Actividad = λN [A] Bq= 1 desint/s

Dosis de exposición X= dQ/dm en aire [X]= Roentgen (1928) 1 R = cantidad de fotones x-γ causantes de una ionización de ueec/cm3 en aire en condiciones estándares 1 ueec/cm3 de aire = 2, Coul/kg aire 1928 Ionización en aire = f (electrones producidos por fotoel. , Compton y/o prod. pares) función de  para los fotones en aire y de la ionización específica de los electrones dE/dx Si la fuente es puntual y la radiación isótropa:

A: actividad de la fuente d: distancia a la fuente : cte. de velocidad de exposición = f (esquema de desintegración, Eγ, μaire, ionización específica de los electrones) 137Cs 3.3 57Co 13.2 22Na 12.0 60Co 222Ra 8.25

Dosis de exposición (definición actual) Es una medida de la cantidad de ionización producida por fotones (γ o X) y según el ICRU, se la define como: donde dQ = valor absoluto de la carga total de los iones de un signo producidos en aire cuando todos los electrones liberados por fotones (por efectos fotoeléctrico, Compton y de producción de pares) en dm de aire son completamente frenados en dicho dm (= equilibrio electrónico)

Ilustración de la definición del Roentgen (= standard ionization chamber)

Dosis absorbida Fracciones de Gray pueden ser letales para una célula dañada en una de sus estructuras vitales

Relación entre exposición y dosis. Consideremos 1R de exposición: Como la energía para fabricar un par e-- ión en aire es ≈ 32 eV: ;

Sea un haz de fotones monoenergéticos, de densidad energética superficial (o fluencia de energía) ФE, cayendo sobre un material de área S y espesor x. La energía neta transferida a los electrones es: Si el rango de los electrones << dx, ésta es la energía absorbida (Dosis): Similares

Así: Dtejido= 93 erg/g= 0,93 rad por cada Roentgen

Cálculo de dD/dt (tasa de dosis) para un trabajador a 50 cm de distancia de una fuente 22Na de 100 μCi

Algunas relaciones importantes Sea un haz de fotones de enrgía E incidiendo sobre un medio : Poder frenador; : Poder frenador másico Sea ФE fluencia de energía de los fotones = dE/dA. Entonces: Sea Фe fluencia de electrones dne/dA. Entonces:

c) Kerma (Kinetic energy [iniciales de los electrones] released [por los fotones a los electrones] per unit mass): es el primer paso de la transferencia de energía al medio y tiene lugar en un punto Es una cantidad aplicable a radiaciones ionizantes indirectamente (fotones y neutrones). Cuantifica la cantidad promedio de energía transferida de la radiación indirectamente ionizante a la radiación directamente ionizante (electrones y positrones), sin que interese lo que ocurra luego de esta transferencia (las partículas liberarán su energía a lo largo de sus trayectorias, energía que podrá o no ser absorbida totalmente en ese camino)

d) Eficacia biológica relativa (RBE) Daño biológico: depende del tipo de partícula debido a que cada una de ellas transfiere una diferente energía por unidad de camino (LET) a la materia LET= dEl/dl (igual a dE/dx si no hay bremsstrahlung) El: energía media localmente impartida al medio por la partícula al atravesar dl.

A cada partícula le corresponde un factor de calidad Q que mide la RBE (hoy: factor de peso de la radiación Wr) γ β p α nr nl Wr (=Q) 1 10 20 3 E> 2 MeV < 10 keV : 5 : 10 100-2 Mev : 20 : 10 > : 5

e) Equivalente de dosis (Equivalent dose, sobre un tejido T) DT,R : dosis absorbida media por el órgano T debido a las diferentes radiaciones R que inciden sobre él Da cuenta del efecto biológico ya que independiza al daño del tipo de partícula [H]= [Q . dosis absorbida] = [Q . rad] =1 rem = [Q . Gray] = 1 Sievert = 1 Sv = 100 rem 1 m Sv = 0,1 rem

0,2 rem/año = 2 m Sv/año = radiación natural 450 rem/año = 4,5 Sv en una sola dosis sobre todo el cuerpo = muerte Entonces : 1 rem(α) = 1 rem(γ) = rem(p) = … 1 Gy protones de 2 Mev = 10 Sv f) Equivalente de dosis efectiva (Effective dose, afecta a más de un tejido/órgano)

g) Otros Equivalente de dosis efectiva colectiva De una única fuente sobre un grupo de personas = Ede x Nº de personas Equivalente de dosis efectiva comprometida Tiene en cuenta la radiación que recibirán las generaciones futuras con el tiempo Ambas magnitudes son importantes en la evaluación del daño en accidentes nucleares (centrales) y precipitación radioactiva

Penetración de las radiaciones (dE/dx)

2. Las fuentes de radiación

1mrem = 10-2 mSv

Las fuentes de radiación
A. Las fuentes naturales (80%) Externa (a) Cósmica 16% Interna (b) Externa (c) Terrestre 84% Interna (d)

Fuentes de radiación naturales: dosis típicas en el medio ambiente
Radiación, dosis, efectos y riesgos. Fuentes de radiación naturales: dosis típicas en el medio ambiente Externa: γ, p, e-, α γ, e ,3 mSv/año (a) Interna: (b) Cósmicas Las fuentes naturales 14C (5730 años) en CO2 3 H (12 años) en H2O ,015 mSv/año 40K (1,3.109 años) 87Rb (4, años) Series naturales (U y Th) Externa: (c) 0,3-0,6 mSv/año Terrestres. Aire Agua Comida Interna: (d) 1,3 mSv/año 29

Rayos cósmicos estelares (γ, p, e-, α) + atmósfera terrestre = γ, e- que inciden sobre la tierra. Ede= 0,3 m Sv/año. Su intensidad depende de la altura sobre el nivel del mar Aumento con la altitud de la tasa de dosis equivalente procedente de la radiación cósmica 30

La radiación cósmica produce también reacciones que originan 14C (5730 años) y 3H (12 años), que forman parte del CO2 y H2O y que el hombre intercambia con el medio y bebe, respectivamente. E-de= 0,015 m Sv/año. Servicio: Contaminación de agua subterránea en el partido de Esteban Echeverría?

c) Terrestre externa: durante la conformación del sistema solar (hace ≈ años) se crearon núcleos radioactivos que abundan en las rocas ígneas: 40K(1,3.109 años) Rb(4, años) 238U , Th , U E-de= 0,3-0,6 m Sv/año. Gurapari (Brasil) Ede ≈ 500 Ede promedio

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d) Las fuentes terrestres internas constituyen 2/3 de las fuentes naturales, o sea 1,33 m Sv/año. Aire Bebida: agua Comida 40K (leche, lácteos) Bq Eγ=1460keV (0,01%K) Nucleídos de las cadenas radioactivas: 210Pb, 210Po (de 238U) se introducen con la comida (pescados, mariscos, carne de reno y canguro: Australia, Alaska)

3) Carbón: contiene trozos de radionucleídos, que se liberan en el medio como vapor o ceniza en la combustión, irradiando a personas y cultivos (son las cenizas volátiles, las pesadas quedan en las calderas de las centrales térmicas) 4) Fosfatos (para fabricar fertilizantes): tiene altos contenido de U, que libera Radón: “los fertilizante son radioactivos y contaminan los alimentos” Algunos productos derivados de los fosfatos se emplean para alimentar a los animales aumento del Radón en la leche (1977: kg de fertilizantes) Energía geotérmica (0,1% Etotal): peligro potencial El Radón: Ede= 1,2 m Sv/año!!

Por inhalación directa (gas) Pulmones Po (sólido) Aire Se adhiere a las paredes alveolares (gas) o se fija (sólido) a las partículas de polvo que quedan retenidas en el sistema respiratorio Pizarras (Suecia) Materiales de construcción Fosfoyeso para hormigón (Japón) Residuos minas de U (Colorado, USA)

Concentraciones de actividad promedio en materiales de construcción, medidas en distintos países

Radón y ahorro energético: 1 GW año de ahorro Sv hombre (Suecia). Suelo asiento de viviendas Aext= 5Bq/m3 <<< Aint = Bq/m3. USA 1976: el Rn proviene del suelo principalmente. Aint = función de Vgeneración Rn (concentración de Rn en la tierra) (1000Bq = 0.03 C) Ventrada Rn (permeabilidad del suelo) Vventilación (controlable)

Solución (arquitectos) Alterar el campo de presiones en los puntos de entrada de manera que el Radón no fluya hacia adentro del edificio (cañerías y ventiladores) De pozos muy profundos. Al ducharse, se inhala el Rn emitido por el agua Agua De las yacimientos. Aumenta su concentración durante la combustión en estufas sin chimenea Gas natural El riesgo estimado es mayor que el de la suma de todas las demás fuentes de radiación!! Minas y cáncer de pulmón ??

Radiación, dosis, efectos y riesgos. B. Las fuentes artificiales (20%)
Los varios cientos de radionucleídos que el hombre ha producido artificialmente, con fines bélicos o no, aumentan la dosis recibida tanto por individuos como por la humanidad en su conjunto (T1/2) I) Usos médicos Radiología = Radiación X (diagnóstico) Países industrializados 1 radiograma/año, persona Países en desarrollo + <<<1 radiograma/año, persona, pero… - Equipos antiguos - Sin control de calidad - Personal no bien entrenado 47

1985: 40 mRem/año, persona (0,4 m Sv) Los tomógrafos ha reducido grandemente la dosis aplicada UNSCEAR: “Existe un gran potencial para la reducción significativa en las dosis suministradas” Radioterapia (Teleterapia y braquiterapia) Estudio de procesos orgánicos, localización de tumores, tratamiento del cáncer ≈103 rem (10 Sv) Riesgo (efectos secundarios, colimación del haz?, control de calidad?) vs. beneficio c) Medicina Nuclear

Recordando la clasificación de la radiación… No ionizante (sonido, luz) Ionizante Directamente: e, p, α, iones pesados Indirectamente: fotones (x, γ) y neutrones Depositan la energía en el medio por interacción coulombiana con los electrones orbitales de los átomos del medio Depositan la energía en el medio en dos etapas: El fotón libera e o e+ y el neutrón libera p, γ o iones pesados Las partículas cargadas liberadas interactúan coulombianamente con los electrones orbitales (o núcleos) de los átomos del medio

Rayos X característicos Radiación de bremsstrahlung (radiación X continua) Radiación γ Cuantos de aniquilación (Eγ = 511 keV) Radiación ionizante de fotones

Las radiaciones ionizantes se usan en medicina tanto para diagnóstico como para terapia Radiología diagnóstica o radiología (rayos X, TC) Medicina nuclear (99Te, 131I, 18F), PET (+) Diagnóstico Radiación ionizante Radioterapia (RT) = radiología terapéutica = oncología de radiación, radiocirugía Medicina nuclear: BNCT!! Terapia 51

Las dosis propuestas, que constituyen una corrección de las propuestas por P. Rubin y G.W. Casarett en “Clinical Radiation Pathology” (Saunders, Filadelfia, 1968), pueden ser suministradas a los pacientes en cinco sesiones semanales. El calificativo de “aceptables” fue propuesto por los autores y no por el UNSCEAR, aunque una tabla más completa de sus conclusiones fue reproducida en el informe del UNSCEAR de la figura constituye una somera ilustración de la diferencia de sensibilidad existente entre los diversos órganos y tejidos.

II) Ensayos nucleares (precipitación radioactiva) Más de 500 desde 1945 (a 1987), inyectaron en la atmósfera gran cantidad de radioisótopos que aún nos irradian (vida media larga) ≈ 2 mrem/año = mSv/año

Rendimiento: 1 Megatón = 10 6 ton de TNT

III) Centrales nucleares
(Operación)

Reprocesamiento: 1 % del combustible es reprocesado para rescatar U y Pu Lechos marinos Desechos: Almacenaje transitorio Formaciones geológicas Almacenaje definitivo (?): uso de materiales avanzados

90 % 1er año A corto plazo (población local) Liberación de los materiales radioactivos (accidentes) 98 % 5 primeros años <33 % 500 primeros años A largo plazo (en todo el globo) 90 % entre 1000 y 100x106 años

LAS FUENTES DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ARGENTINA

Argentina Nuclear 8 % Promedio mundial Nuclear 17 % Unión Europea Nuclear 35 % Argentina está por debajo del promedio mundial y muy por debajo del europeo 63

Relojes pulsera luminosos :4.D centrales nucleares (Ra, 3H, 147Pr) IV) Otras fuentes Cepillos quita polvo (emisores α) Detectores de humo (emisores α) Lentes (Th) Brillo dental (U) Televisor color (X)

Geiger Sv/h = 2,16 mSv/a (1año = 48 sem x 5 días x 8 hs)

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