Elementi di radioprotezione e dosimetria
Generalita’ sul nucleo atomico
Tipi di decadimento radioattivo
, , 
Leggi del decadimento radioattivo
Interazione radiazione-materia
p, , e, , n
Grandezze dosimetriche
Esempio di calcolo della dose
Radioprotezione presso gli acceleratori
Ratomo = 10.000 · Rnucleo
Mnucleo = 4000 · Matomo
10-8 cm
La materia e’… vuota !!
 sfere da un metro a
distanza di 10 chilometri !!
10-13 cm
Il nucleo e’ composto da
Protoni  e neutroni 
interagenti tramite le forze nucleari
Le energie in gioco sono decine di milioni di volte
piu’ elevate delle energie chimiche (elettroni)
Nuclide: ben definito nucleo costituito da un determinato
numero di protoni e di neutroni. Esso viene indicato come:
A
Z
XN o spesso più semplicemente ZAX
dove:
- X indica l’elemento chimico;
- Z : numero atomico dell’elemento = numero di protoni
nel nucleo (numero di elettroni atomici);
- A : numero di massa del nucleo, cioè il numero totale
di protoni (Z) e neutroni (N)  A=Z+N.
I protoni ed i neutroni sono chiamati genericamente
nucleoni. Ne risulta ovviamente che N=A-Z
6
3
12
6
Li
C
2
1
H1
14
6
C8
7
3
13
6
Li
C
14
6
C
isotopi
3
2
He1
15
7
N8
16
8
O8
isotoni
14
14
7
6
6
6
2 He4
3 Li3
3
3
1 H2
2 He1
C
N
6
4
Be2
isobari
numero di protoni Z
composizione del nucleo atomico: N  Z
numero di neutroni N
valle di stabilita` dei nuclei
Energia di legame massima
numero di protoni Z
decadimento  n  p + e- + 
(60Co  60Ni +e-+)
decadimento  +
p  n + e+ + 
(22Na  22Ne +e++)
numero di neutroni N
Decadimento 
A
ZX

A 4
Z 2X
 24He
(241Am  237Np + )
Talvolta il nucleo “figlio” viene creato in un stato eccitato
Si diseccita emettendo radiazione gamma
Decadimento 
60Ni*
(60Co  60Ni* + e- + )
Emissione 
60Ni
60Ni*

 60Ni + 
Leggi del decadimento radioattivo
La radioattivita` si manifesta con la emissione
di particelle  oppure  da parte del nucleo,
spesso seguite da emissione 
NP t   NO e  t
NP t   NO e  t
Np = nuclei precursori (“parents”)
N0 = nuclei iniziali
 = costante di decadimento rappresenta la
probabilita` di decadimento nell’unita` di tempo
attività = numero di decadimenti subiti nell’unità di tempo
120
a t  
dNp t 
dt
 No  e
 t
 Np t   
100
80
60
 = 1/
rappresenta la vita media
40
20
0
0
T1/2 = ln2/
rappresenta il tempo di dimezzamento
20
40
60
80
t
100
L’ attività si misura in Bequerel (Bq)
1 Bq = 1 disintegrazione/secondo
Molto usata tutt’oggi la vecchia unita’: il Curie (Ci)
1 Ci = 3.7·1010 disintegrazioni/secondo
(1 Ci  1 g di Radio 226)
1 Ci = 37 GBq
1 mCi = 37 MBq
1 Ci = 37 kBq
Interazione radiazioni - materia
Particelle cariche
ionizzazione  Sion
p, , ioni pesanti, elettroni e
Perdita di energia per
irraggiamento  Srad
Elettroni e
Srad
Sion
Ecrit = 800/Z
ZE

800
nel piombo (Z=82):
Ecrit  10 MeV
in acqua o aria (Z  8): Ecrit  100 MeV
Interazione radiazioni - materia
Particelle cariche
e
p, 
Interazione radiazioni - materia
Particelle cariche: Range
non costituiscono problema
per irraggiamento esterno
N
Range alfa:
Range
qualche cm aria
un foglio di carta
spessore
Range elettroni:
 m aria
 cm plastica
 1 mm Piombo
Sorgenti
radioattive
Schermature particelle cariche:
: nessun problema
: conviene usare materiali leggeri
Srad
Sion

ZE
800
in questo modo si riduce la produzione di fotoni
piombo, ferro, rame …
plexiglass
Interazione radiazioni - materia
Fotoni
Effetto fotoelettrico
Effetto Compton
produzione
di coppie e+e-
Schermature fotoni:
Z5 (fotoelettrico)
probab. interazione  Z (Compton)
Z2 (prod. coppie)
Piombo
Calcestruzzo
 = coefficiente di attenuazione/assorbimento
10
Nx  Noe
 x
N
8
6
 = 1/ = libero cammino medio
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
spessore
Interazione radiazioni - materia
neutroni
Q = 0  solo interazioni nucleari
diffusione – rallentamento - cattura
A
n


p
La massima perdita energia
si ha quando: mA  mn
Cattura:
n + 10B
n + 6Li
n + 1H
n + Cd
calcestruzzo o paraffina
“borata”, “litiata”
materiali idrogenati
materiali leggeri




7Li
+ 
3H + 
2H + 
Cd + 
Schermature neutroni
 = sezione d’urto macroscopica
Nx  Noe
 x
10
N
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
spessore
Schermature neutroni:
 Rallentamento
Materiali leggeri: paraffina, H2O, calcestruzzo, …
 Cattura: reazioni nucleari:
10B
(n,)7Li
6Li (n,)3H
(Cd)nat(n,)
Calcestruzzo
Dose assorbita - Esposizione
partic.
cariche
fotoni
dQ
X
dm
 1 dE  d   1 dE 
 
  
D  
 
  dx  dt   dx 
  en

D  
 
 d    en 
 E
 E 
 
dt




DM Gy  8.74  10
3
 en / M
 XR
 en / aria
Schema di decadimento del
60Co
60Co
(5.26 y)
-
0.312 MeV
4+

1.17 MeV
2+

g.s.
60Ni
1.33 MeV
0+
Esempio: calcolo della dose
A = 100 Ci di
60Co
A = 3.7·106 Bq
Ad ogni disintegrazione il
d = 1.5 m
60Co
emette:
1  di energia 0.312 MeV
1  di energia 1.17 MeV
1  di energia 1.33 MeV
 2  di energia 1.25 MeV
60Co
particelle 

=x
x = / = 80 cm
non irraggiano il lavoratore (d=1.5 m)
comunque intensa sia la sorgente
Sono comunque facilemte schermabili:
e’ sufficiente  1 mm di plexiglass:
plex  1000 aria  xplex  1/1000 xaria
radiazione 
  en

D  
 
 d    en 
 E
 E 
 
dt




en /
E = 1.25 MeV

2A
4 r2
Costante 
Intensita’ di esposizione (R/h)
per sorgente di attivita’ 1 Ci
alla distanza di un metro
4
A
10
X    2  1.3 
 5.8  10  5 R / h
2.25
d
X  5.8  10 2 mR / h
Per una esposizione continua di 2000 ore
(40 h/settimana, 50 settimane lavorative)
X = 5.8·10-2 · 2 ·103 = 120 mR/anno
1 mR  8·7 ·10-3 mSv
E = 8·7 ·10-3 · 120 = 1 mSv/anno
Sorgente 60Co da 100 Ci
esposizione continua per 1 anno
alla distanza di 1,5 m
E = 1 mSv/anno
Per confronto:
Fondo naturale: 1.5 mSv/anno
Impiego sanitario: 1 mSv/anno
probab. danno somatico “grave”
5·10-2 per Sv  5·10-5 per mSv
probab. danno genetico
1,3·10-2 per Sv  1.3·10-5 per mSv
Limiti di dose:
Popolazione: E < 1 mSv/anno
Categoria B: E < 6 mSv/anno
Lavoratori esposti
siamo tutti li’ ….
Categoria A: E < 100 mSv in 5 anni
E < 20 mSv/anno
Radioprotezione presso gli
Acceleratori di particelle
Controllo dosimetrico spetta al laboratorio ospitante
Acceleratori protoni
protoni
neutroni
raggi gamma
Acceleratori elettroni
raggi gamma
sciami e.m.
neutroni
Anelli accumulazione
….
radiaz sincrotrone
Principali rischi per i lavoratori:
incidente
Attivazione
reazioni nucleari indotte dal fascio
solidi: linea, target, strutture, schermature
liquidi: circuiti raffreddamento
gassosi: aria
120
T1/2 breve
15O
: 2.1 min
13N : 10 min
11C : 20.4 min
18F : 110 min
48V : 16 giorni
51Cr : 28 giorni
7Be : 54 giorni
55Fe : 2.9 anni
60Co : 5.2 anni
100
80
60
40
20
T1/2 lungo
0
0
10
20
30
40
50
Limite per la popolazione:
 1 mSv/anno
… segue
elenco ..