Vlaams Congres van Leraars Wetenschappen 2000Diepenbeek

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/LippeTel: (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, 1999ISBN: 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 HardemanDepartementshoofd “Onderzoek van Beslissingsstrategieën”Studiecentrum voor kernenergie (SCK•CEN)Boeretang 2002400 BelgiëTel.: 014/33.28.51 Fax.: 014/32.10.56email: 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

12CKoolstof - 12 : 6 protonen (Z=6) en 6 neutroneneen ‘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

12CKoolstof - 12 : 6 protonen (Z=6) en 6 neutronen

13CKoolstof - 13 : 6 protonen (Z=6) en 7 neutronen

14CKoolstof - 14 : 6 protonen (Z=6) en 8 neutronen

Opbouw van de nuclidenkaartisotopen

12C 13C 14C6

Zaantal protonen

Naantal neutronen6 7 8

Fragment uit de nuclidenkaart

Fragment uit de nuclidenkaart

Zaantal protonen

Naantal neutronen

Radioactief verval: de belangrijkste vervalwijzen

Onstabiel door

te weinig neutronen : bèta (+) vervalproton wordt omgezet in neutron

te veel neutronen : bèta (-) vervalneutron wordt omgezet in proton

te zwaar alfa vervaleen ‘stukje’ van de kern (2p+2n) wordt uitgezonden

spontane splijting

Bèta vervalproces dat zich afspeelt binnenin de kern

+ e + p n e-

-ν11

10

ν e+

+ + e + n p 10

11

β-

β+

+ e + Y X eAZ

AZ ν +

+−1

Bèta vervalontstaan van een nieuw element (dochterkern)

+ e + Y X e-A

ZAZ -ν1+β-

β+

Bèta-stralingspectrum van Natrium-24

Vervalwijzen van onstabiele kernen

β+ verval

β- verval

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

α + Y X AZ

AZ

42

−−α

α + Ra Th 22488

22890

vb

Alfa-stralingspectrum van Thorium-228

Vervalwijzen van onstabiele kernen

α verval

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

neutronenbronnenalfastralers met lichte materialen

Bij versnellers: bijvoorbeeld: (p,2n)-reacties

Kernsplijting - kettingreactie

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

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

Straling in interactie met materiebelangrijkste eigenschappen

2

Interactie van straling met materie

ααlosmaken van electronen door elektromagnetische interactie: ionisatie (gedeeltelijk ook door excitatie)

ββlosmaken van elektronen door elektromagnetische interactie:ionisatie (gedeeltelijk ook door excitatie)

γγ fotoëlektrisch effect, compton effect: wegslaan van elektronenpaarvorming: vorming van elektron-positron paren

n botsingen met kernenexcitatie van kernen (gevolgd door straling, deeltjesuitstoot,splijting)

ionisatie door straling

een geladen deeltje of gamma maakt door interactie een electron losuit de invloedsfeer van een atoomkernhierdoor wijzigen de chemische eigenschappen van het atoom(of van de molecule)

Vrije weglengte in lucht van alfastraling, bètastraling, gamma- en neutronenstraling: typische waarden

α

β

γ

n

enkele centimeters

enkele meters

honderden meters

honderden meters

Vrije weglengte van alfastraling, bètastraling, en gammastraling in vaste stoffen en vloeistoffen:

typische waarden

α

β

γ

enkele tientallen micrometer

enkele tienden millimeter

tientallen centimeters

Doordringingsvermogen van alfastraling, gammastraling en bètastraling

Verschil tussen bestraling en besmetting

bestraling 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 stralingbeperkte doordringing: X-stralen en laag-

energetische gamma’sgrote 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 UMinder goed, maar goedkoop en sterk te maken:

beton, water in bassin

Meten is weten:Detectie van straling

Metingen op basis van ionisatie

Gasdetectoren ionisatiekamersproportioneeltellersGeiger-Muller-tellers

Straling maakt lading vrij in gascelSpanning zorgt voor versnelling/vermenigvuldiging

Vaste stof detectoren: halfgeleidersSiliciumGermanium

Meting op basis van scintillatie of lichtimpulsjes

Sommige organische stoffenStilbeen, anthraceen, …..Gebruikt in vloeibare vorm of verwerkt in plastic

Sommige zouten en andere vaste stoffenNaI(Tl), ZnS

Tijd voor wat praktische voorbeelden….

Vorm van meetmonsters Keuze en constructie van detector Veiligheid van werknemer

Bij bestralingBij 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

bronofwel: 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 cellenzeer gevaarlijkmoeilijk op te sporen: via excreta

Betastraling: minder lokaal, maar toch beperkte afstandminder schadelijkeveneens moeilijk op te sporen

Gammastraling: ook op grotere afstandSchade vooral in besmet orgaan, maar ook

naburige en verder gelegen organenmeetbaar 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-131Diepe 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 lokaalafgezette energie

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

geabsorbeerdedosis

equivalentedosis

J/kg Gray

(dosis (Gy) x radiologische wegingscoëfficiënt) Sievertde 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-2261 curie = 3.7 E10 Bq

Verband risico/dosis bij hoge en lage stralingsdosisLineaire drempelwaarde - theorie

Inwendige blootstellingSpecifiek gedrag van radionucliden in het lichaam

Natuurlijke en kunstmatige radioactiviteit

3

Natuurlijke en kunstmatige radioactiviteitDe 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 radioactiviteitDe Uranium-238 reeks

Natuurlijke radioactiviteitDe Thorium-232 reeks

Schematisch model van een PWR(watergekoelde kernreactor)

Dosislimiteringssysteem van de ICRP voor praktijken en interventies