Vlaams Congres van Leraars Wetenschappen 2000 Diepenbeek Frank Hardeman Ioniserende Stralingen

Wat kunt u het komende uur verwachten? Inleiding Basisbegrippen kernfysica leidend tot: soorten stralingen en voornaamste eigenschappen Enkele noties over detectie van straling Enkele proefjes en demo’s Toepassingen en veiligheidsimplicaties Afronding

Enkele nuttige referenties G. Pfennig, H. Kleuwe-Nebenius, W. Seelmann-Eggebert: “Karlsruher Nuklidkarte”, Forschungszentrum Karlsruhe te bestellen via: Markdtienste Haberbeck GmbH Industriestrasse 17, D-32791 Lage/Lippe Tel: (05232)6 12 28 Fax: (05232)6 84 45 Prof. Dr. J.D. Fast: “Energie uit Atoomkernen” Natuur en Techniek, Maastricht, 1980 Christian Hoenraet (red.): “De energiebronnen en kernenergie: Vergelijkende analyse en ethische reflecties”, Acco, Leuven, Amersfoort, 1999 ISBN: 90-334-44349-X Voor een excursie met de school: Isotopolis, Gravenstraat 73, 2480 Dessel: tentoonstelling over radioactiviteit, verwerking en berging van radioactief afval; verantwoordelijke: NIRAS

Wie ik ben en waar ik werk Frank Hardeman Departementshoofd “Onderzoek van Beslissingsstrategieën” Studiecentrum voor kernenergie (SCK•CEN) Boeretang 200 2400 België Tel.: 014/33.28.51 Fax.: 014/32.10.56 email: fhardema@sckcen.be Activiteiten: Beleidsondersteuning: noodplanning, omgevingsmetingen enz. Medische toepassingen: nieuw project “Humane Wetenschappen”: nieuwe projecten

Basisbegrippen Stralingsfysica 1

Periodiek systeem van de elementen

Atoomstructuur Bouw van het atoom Koolstof - 12 : 6 protonen (Z=6) en 6 neutronen een ‘neutraal’ koolstof-atoom heeft 6 electronen rond de kern

Atoomstructuur (2) drie voorbeelden Waterstof Uranium Koolstof 1H 235U 12C

Bij een vast aantal protonen, kan men het aantal neutronen N laten variëren: ISOTOPEN 12C Koolstof - 12 : 6 protonen (Z=6) en 6 neutronen 13C Koolstof - 13 : 6 protonen (Z=6) en 7 neutronen 14C Koolstof - 14 : 6 protonen (Z=6) en 8 neutronen

Opbouw van de nuclidenkaart isotopen Z aantal protonen 12C 13C 14C 6 N aantal neutronen 6 7 8

Fragment uit de nuclidenkaart

Fragment uit de nuclidenkaart Z aantal protonen N aantal neutronen

Radioactief verval: de belangrijkste vervalwijzen Onstabiel door te weinig neutronen : bèta (+) verval proton wordt omgezet in neutron te veel neutronen : bèta (-) verval neutron wordt omgezet in proton te zwaar alfa verval een ‘stukje’ van de kern (2p+2n) wordt uitgezonden spontane splijting

Bèta verval proces dat zich afspeelt binnenin de kern - +

Bèta verval ontstaan van een nieuw element (dochterkern) - +

Bèta-straling spectrum van Natrium-24

Vervalwijzen van onstabiele kernen

Alfa verval: uitzending van een He-kern: twee protonen en twee neutronen  vb

Alfa-straling spectrum van Thorium-228

Vervalwijzen van onstabiele kernen

De natuurlijke radioactieve alfa-stralers vervallen in verschillende stappen (alfa of beta) tot stabiliteit: Uranium, thorium, radium

Gammastraling Gammastraling ontstaat door verdere herschikking van protonen en neutronen in de kern elektromagnetische golven

Neutronen Neutrale deeltjes; instabiel Komen voor bij: kernsplijting: spontaan (californium-252, ook U en Pu) kernreacties neutronenbronnen alfastralers met lichte materialen Bij versnellers: bijvoorbeeld: (p,2n)-reacties

Kernsplijting - kettingreactie geabsorbeerd in controlestaaf, U-238, FP of structuurmateriaal ; of weg uit de kern

Straling in interactie met materie belangrijkste eigenschappen 2

Interactie van straling met materie  losmaken van electronen door elektromagnetische interactie: ionisatie (gedeeltelijk ook door excitatie)  losmaken van elektronen door elektromagnetische interactie: ionisatie (gedeeltelijk ook door excitatie)  fotoëlektrisch effect, compton effect: wegslaan van elektronen paarvorming: vorming van elektron-positron paren n botsingen met kernen excitatie van kernen (gevolgd door straling, deeltjesuitstoot, splijting)

ionisatie door straling een geladen deeltje of gamma maakt door interactie een electron los uit de invloedsfeer van een atoomkern hierdoor wijzigen de chemische eigenschappen van het atoom (of van de molecule)

Vrije weglengte in lucht van alfastraling, bètastraling, gamma- en neutronenstraling: typische waarden    n enkele centimeters enkele meters honderden meters

Vrije weglengte van alfastraling, bètastraling, en gammastraling in vaste stoffen en vloeistoffen: typische waarden  enkele tientallen micrometer  enkele tienden millimeter  tientallen centimeters

Doordringingsvermogen van alfastraling, gammastraling en bètastraling

Verschil tussen bestraling en besmetting definitie Bron steeds buiten het lichaam De bron is opgenomen in het lichaam of op het lichaam gevaarlijkste straling Straling met een groot doordringingsvermogen (door huid, kledij,...) : gamma's, neutronen Straling die zijn energie in een klein gebied afgeeft aan het weefsel: vooral alfa's blootstellingstijd Tijd in de nabijheid van de bron Tijd van de aanwezigheid van de isotopen in het lichaam (verdwijnen via verval of uitscheiding) controle en registratie Relatief eenvoudig Systematisch toepasbaar Sterk afhankelijk van de isotopen; minder geschikt voor systematische controles

De absorptie van gammastraling en X-stralen is niet steeds dezelfde Zeer sterk afhankelijk van de energie van de straling beperkte doordringing: X-stralen en laag-energetische gamma’s grote doordringing: hoog-energetische gamma’s bijvoorbeeld: Co-60, Cs-137, fissieproducten Zeer sterk afhankelijk van de elektronendichtheid van het materiaal (Z) Zeer goede afschermingen: Pb, W, verarmd U Minder goed, maar goedkoop en sterk te maken: beton, water in bassin

Meten is weten: Detectie van straling

Metingen op basis van ionisatie Gasdetectoren ionisatiekamers proportioneeltellers Geiger-Muller-tellers Straling maakt lading vrij in gascel Spanning zorgt voor versnelling/vermenigvuldiging Vaste stof detectoren: halfgeleiders Silicium Germanium

Meting op basis van scintillatie of lichtimpulsjes Sommige organische stoffen Stilbeen, anthraceen, ….. Gebruikt in vloeibare vorm of verwerkt in plastic Sommige zouten en andere vaste stoffen NaI(Tl), ZnS

Tijd voor wat praktische voorbeelden…. Vorm van meetmonsters Keuze en constructie van detector Veiligheid van werknemer Bij bestraling Bij besmetting Toepassingen in de industrie Toepassingen in de geneeskunde

De ideale vorm van meetbronnen Alfa-straling: zo dun mogelijk; anders te veel zelfabsorptie in de bron ofwel: vloeistofscintillatie: oplossing zowel detectievloeistof als meetmonster bevat Beta-straling: analoog, maar minder kritisch Gamma-straling: gewoon product in een geschikt recipiënt

Keuze en vorm van detector Alfastraling dun venster zowel gasvormige als vaste detectoren bij voorkeur niet dik (geen invloed van gamma of beta als zeer dun) Beta-straling iets steviger venster mogelijk vaak enkel gebruikt voor besmettingsmeting via gasvormige detectoren Gammastraling als activiteit niet te hoog: vaste detectoren van behoorlijke dikte gevoeligst als actiever: ook gasdetectoren

Veiligheid van de werknemer bij uitwendige bestraling Alfastraling: bereik zeer klein in lucht en vaste stof: straling raakt niet boven (dode) opperhuid; dus: onschadelijk Betastraling: bereik voldoende om door opperhuid te dringen: “beta-burns”; geen gevaar voor “vitale” organen Gammastraling: straalt doorheen het hele lichaam Neutronenstraling: idem + grote kans op activatie van elementen in het lichaam (Na, Cl, K, Fe etc.)

Veiligheid van de werknemer bij inwendige besmetting Alfastraling: zeer lokaal: enkele cellen zeer gevaarlijk moeilijk op te sporen: via excreta Betastraling: minder lokaal, maar toch beperkte afstand minder schadelijk eveneens moeilijk op te sporen Gammastraling: ook op grotere afstand Schade vooral in besmet orgaan, maar ook naburige en verder gelegen organen meetbaar met gevoelige detectoren

Toepassingen in de industrie Diktemonitoring, keuze straling afhankelijk van materiaal en dikte (folies tot staalplaten) Niveaubepaling in grote opslagtanks Lascontroles Bestraling van voedsel en geneesmiddelen voor langere bewaring en sterilisatie Rookdetectoren

Toepassingen in de geneeskunde Diagnose: Tc-99m (en andere) Molecules die bepaalde “tumor” zoeken en die “gelabeled” zijn met een radio-isotoop Radiologie: X-stralenfoto’s Terapie: bestraling van tumoren Schildklier: I-131 Diepe tumoren: doordringende straling of inbrengen bron Nog in onderzoek: terapie met gelabelede moleculen Nieuwe toepassing: bestraling bij ballondilatatie: ader bestralen met beta-straling

energieafzetting in materie ; geabsorbeerde dosis en equivalente dosis de ernst van een bestraling wordt bepaald door de hoeveelheid lokaal afgezette energie J/kg Gray geabsorbeerde dosis de ernst van de stralingsschade wordt bepaald door de hoeveelheid lokaal afgezette energie en de aard van de straling ; alfa's richten voor éénzelfde energieverlies veel meer schade aan dan bèta's en gamma's equivalente dosis (dosis (Gy) x radiologische wegingscoëfficiënt) Sievert de coëfficiënt is 20 voor alfa-straling, 1 voor beta- en gammastraling

Als je zelf een opstelling wil bouwen: waar op te letten Alfabronnen: enkel zin als detector geschikt “verzonken” bron met degelijke garantie dat geen besmettingsgevaar Pure betastraler: weinig nut Gamma-straling Bron moet voldoende actief zijn om 1/r2 e.d. aan te tonen Bron mag niet te actief zijn, want geeft dosis Steeds op letten: Koop geen bron die vergunningplichtig is Werk niet met open bronnen die besmetting kunnen geven Koop geen bron waarvoor je detector niet gevoelig is

Eenheden van stralingsactiviteit en dosis aantal desintegraties per seconde Bq (Becquerel) (curie) = equivalente stralingsdosis Sv (Sievert) "activiteit" "dosis" Opmerking: 1 curie = de activiteit van 1 gram zuiver Ra-226 1 curie = 3.7 E10 Bq

Verband risico/dosis bij hoge en lage stralingsdosis Lineaire drempelwaarde - theorie

Inwendige blootstelling Specifiek gedrag van radionucliden in het lichaam

Natuurlijke en kunstmatige radioactiviteit 3

Natuurlijke en kunstmatige radioactiviteit De stralingsbelasting van de Belgische bevolking

Dosistempo ten gevolge van de gemiddelde achtergrondstraling in België

Evolutie van de inwendige besmetting met Cs-137 bij de Belgische bevolking

Pathways voor bestraling en besmetting

Natuurlijke radioactiviteit De Uranium-238 reeks

Natuurlijke radioactiviteit De Thorium-232 reeks

Schematisch model van een PWR (watergekoelde kernreactor)

Dosislimiteringssysteem van de ICRP voor praktijken en interventies