Section 1 Asst. Prof. Dr. Doonyapong Wongsawaeng 2111201 ความร ท วไปทางด านร งส และพล งงานน วเคล ยร Nuclear Technology Department Chulalongkorn University 1
น ยามของพล งงานน วเคล ยร พล งงานเป นส งจ าเป นในการด ารงช ว ตของส งม ช ว ต ไม ว าจะอย ในร ปของ พล งงานแสง เส ยง ความร อน หร อในร ปอ นๆ แหล งพล งงานหล กๆ ท ใช ก นในป จจ บ นได แก พล งงานจากถ านห น น าม น ก าซ ธรรมชาต ช วมวล แสงแดด ลม และน า เป นต น นอกจากน ย งม พล งงานอ กประเภทหน ง ซ งเก ดจากธรรมชาต เช นก น แต เพ งม การค นพบจากการทดลองทางว ทยาศาสตร น นค อพล งงานน วเคล ยร ซ งถ อได ว า เป นพล งงานท ย งใหญ ตามทฤษฎ Big Bang และเป นบ อเก ดของพล งงานชน ดอ น ท งปวงด งท ได กล าวมาข างต นอ กด วย 2
น ยามของพล งงานน วเคล ยร 3
น ยามของพล งงานน วเคล ยร พล งงานน วเคล ยร ม แหล งก าเน ดมาจากน วเคล ยส น วเคล ยสค ออะไร? ท กๆ ส งท อย รอบต วเรา ไม ว าจะเป น โต ะ ด นสอ ปากกา นาฬ กา จาน ชาม ช อน อากาศ รวมถ งต วเราด วย ประกอบไปด วยอน ภาคท ม ขนาดเล กมากท ไม สามารถ มองเห นด วยตาเปล า เร ยกว า อะตอม หร อ ปรมาณ อะตอมม ขนาดประมาณ 10-10 เมตร ซ งประกอบด วย น วเคล ยส อย ตรงกลาง และ ม อน ภาคอ เล กตรอน เคล อนท รอบๆ น วเคล ยส และในน วเคล ยส ประกอบด วยอน ภาคโปรตอนก บน วตรอน (ยกเว น H) 4
น ยามของพล งงานน วเคล ยร น วเคล ยสเป นต นก าเน ดของพล งงานน วเคล ยร ซ งม ได 3 ล กษณะค อ 1. ปรากฏการณ ก มม นตภาพร งส (Radioactivity) เป นปรากฏการณ ท เก ดข นได เองตามธรรมชาต ของน วเคล ยสของธาต ก มม นตร งส ซ งเป นธาต ไม เสถ ยร จะเก ดการเปล ยนแปลงของน วเคล ยสโดยการ แผ พล งงานออกมาเป นร งส ชน ดต างๆ เช น อน ภาคแอลฟา อน ภาคบ ตา อน ภาค น วตรอน และร งส แกมมา การปล อยพล งงานออกมาน ท าให น วเคล ยสม เสถ ยรภาพมากข น สามารถน าเอาพล งงานน วเคล ยร ประเภทน ก ค อร งส ต างๆ ไปใช ประโยชน ให เหมาะก บว ตถ ประสงค เช นการฉายร งส อาหารด วยร งส แกมมา การตรวจว น จฉ ย และร กษาโรคต างๆ 5
น ยามของพล งงานน วเคล ยร 2. การแบ งแยกน วเคล ยสของธาต หน กเป นน วเคล ยสท เล กลง (Fission) ด งเช นท เก ดในเช อเพล งย เรเน ยมเสร มสมรรถนะท ใช ในโรงไฟฟ าน วเคล ยร พล งงานความร อนท ได จากการแบ งแยกน วเคล ยส น าไปผล ตไอน าส าหร บป น เคร องก าเน ดกระแสไฟฟ าเพ อผล ตกระแสไฟฟ า 6
น ยามของพล งงานน วเคล ยร 3. การรวมต วของน วเคล ยสของธาต เบา (Fusion) ท เก ดในธรรมชาต ค อปฏ ก ร ยาบนดวงอาท ตย น วเคล ยสของอะตอมไฮโดรเจนหลอมรวมก นเป นน วเคล ยสของอะตอมฮ เล ยม ป จจ บ นประเทศช นน าทางเทคโนโลย ก าล งร วมม อก นสร างเคร องปฏ กรณ น วเคล ยร ท ผล ตพล งงานจากปฏ ก ร ยาฟ วช น เพ อเป นพล งงานแก โลกในอนาคต 7
ชน ด ค ณสมบ ต และแหล งก าเน ดร งส 8
Ionizing radiation and non-ionizing radiation ionizing Non-ionizing radiation is a low energy EM wave that cannot cause ionization in materials such as heat, light, sound, RF, microwave, and UV. However, they may cause cellular damage when received in large quantity such as UV burn Ionizing radiation is a high energy EM wave such as gamma ray, X-ray and particles (α, β, p, n, fission fragments). 9 They cause ionization of materials (eject electron(s) from orbit to form ion pairs) and can cause cellular damage by breaking chemical bonds, or materials damage by displacing atoms from their regular lattice positions
Types of radiation and shielding Alpha radiation (α): positively charged helium nucleus emitted by a large (Z > 82) unstable nuclei (U, Pu, Th, etc). Massive particle, but has a short range in air (1-2 cm) and can be stopped completely by paper or skin (and become helium gas atom). Alpha radiation can be hazardous if it enters the body by inhalation or ingestion, because large exposure can result in nearby tissues, such as the lining of the lung or stomach. 10
More on alpha radiation Typical energy = 4-8 MeV Limited range < 10 cm in air, 60 µm in tissue High LET (Quality Factor = 20) causing heavy damage (alpha radiation is the most ionizing radiation) LET (Linear Energy Transfer) refers to rate at which energy of radiation is transferred to medium in units of kev/micron. More LET means more energy transfer to the medium per distance and, consequently, more damage to the medium 11
Common alpha sources
Types of radiation and shielding Beta radiation (β): electron or positron (same mass as electron but with positive charge) emitted by an unstable nucleus. Much smaller with lower LET than alpha particles, so it can penetrate further into materials or tissues. Beta radiation can be absorbed complete by a sheet of plastic, glass, or metal. It does not normally penetrate beyond the top layer of skin. However, large exposures to high-energy beta emitters can cause skin burns and damage to eye lens. Such emitters can also be hazardous if inhaled or ingested. Common in research: H-3, C-14, S-35, P-32, Sr-90, Tl-204 13
Tritium There are 3 hydrogen isotopes: protium (H), deuterium (D) and radioactive tritium (T) Tritium is radioactive with a half-life of 12.3 years and a biological half-life of ~ 10 days. Low-energy (avg. 5.7 kev) beta decay ( 3 H 3 He + β - ). 14
Tritium High pressure tritium gas is sealed inside these small glass vials. The emitted low-energy beta radiation impacts a special phosphor coating on the inside of the tube, causing it to grow green. 15
More on beta radiation Typical energy = several kev up to 5 MeV Wide range of energy levels: Tritium (H-3) only 0.0186 MeV Max, can t travel through air to reach your skin P-32 is toasty (1.71 MeV Max), can travel across the room to get you Range ~ 12 ft/mev in air, a few mm in tissue Low LET (Quality Factor = 1) causing light damage High speed electrons may lose part of their energy in the form of X- rays when they quickly decelerate upon striking a heavy material This is called Bremsstralung (or Breaking) Radiation. High Bremsstrahlung energy is from high electron energy and high atomic # (z) of absorber. So aluminum and other light (z < 14) materials such as plastics are used for beta shielding This is important for x-rays production in conventional x-ray tubes. 16
Bremsstrahlung Bremsstrahlung, from bremsen = "to brake" and Strahlung = "radiation", i.e. "braking radiation" or "deceleration radiation", is electromagnetic radiation produced by the acceleration/deceleration of a charged particle, such as an electron, when deflected by another charged particle, such as being attracted by an atomic nucleus.
Shielding of β - from P-32 High Z materials such as lead block β particles but allow production of X-rays! Low Z materials like plastic are much safer shielding materials against β particles.
Maximum energy Endpoint energy 1.71 MeV Beta particle energy range the Q value is shared between the beta particle and the neutrino
Origin of beta particle: from negatron decay Negatron decay Excess Neutron turns into Proton (most betaemitters are produced by n bombardment of stable isotopes in a reactor, thus the nucleus has an excess neutron) A stays the same, Z goes up +1, element changes Neutrino emission accompanies decay Example: C-14 becomes N-14 beta particle
1.1.3 Positron (positive electron of continuous energy) Positron emission Excess proton turns into neutron (thus positron emitters are often produced in a particle accelerator such as cyclotron, which can accelerate proton to collide with target element) Proton gains negative charge, becomes neutron To conserve charge, positive electron is emitted A stays the same, Z goes -1, element changes Neutrino emission accompanies decay Example: Na-22 becomes Ne-22 Positron is hardly detected because after it is slow down, annihilation with electron occurs which liberates 2 gamma rays positron
Auger electrons X-ray or gamma ray can cause ejection of an electron. A hole is created and an electron in the higher orbital falls to fill in the hole, emitting a characteristic X-ray. This X-ray may be transferred directly to one of the outer electrons, causing it to be ejected called Auger electron. Energy = Atomic excitation energy (char. X-ray) - binding energy. Auger electrons produce a discrete energy spectrum. Energy is low compared to beta particles or conversion electrons because it is favored in low-z elements as binding energies are low. A typical few kev initial E is subject to self-absorption and can be stopped by very thin source covers or detector entrance windows. Example of applications: elemental analysis of a very thin surface layer.
Types of radiation and shielding Gamma radiation (γ): very high energy photon emitted from an unstable nucleus that is often emitting a beta particle at the same time. Causes ionization in atoms when it passes through matter, primarily due to interactions with electrons. Can be very penetrating and only a substantial thickness of dense materials such as steel, lead (1 in.) or heavy concrete (8 in.) can provide good shielding. Gamma radiation can therefore deliver significant doses to internal organs without inhalation or ingestion. Very high penetration capability because it has no charge, no mass, and low LET. Examples: Co-60, Cs-137 24
Gamma radiation Gamma radiation is emitted by excited nuclei, often by beta decay. There is no pure, gamma emitting radioisotopes. Beta decay has half-life, while de-excitation occurs in the order of picoseconds or less. Gamma ray, therefore, appears with a half-life characteristic of a parent decay, but with energy of daughter de-excitation. Gamma-ray reference sources for radiation measurement normally consists of samples of radioisotopes of a few microcuries encased in plastic disks or rods. Encapsulation thickness is large enough to stop any particulate radiation from parent nucleus decay. The only radiation emitted is gamma radiation produced in daughter decay.
Gamma Rays Following Beta Decay 1.17 MeV 1.33 MeV
Gamma sources Cobalt-60 śžşĺą ź -60 ć ąń ś¾ăĺŀ şăŀðęňć ÐśąĚľ ĚăŐĹř Ů¾śąĚľ śžşĺą ź ğ Ňů ş ăăðőţş pellet ğ Żŀ ¾ŰďĂř̹ٳ ţ ăűęşń ŢŞřŽăŐůĹÐĆ¹ ńł ă¼ ź Ş ńď ř Ž ą ŇĂ ă ź ğ Ňů Ň neutron flux ę ŔÐť ř ý ůş ę ŔÐ ŀ ł ł ď ůŀ 10 5 n/cm 2 -s ĚăŐĹ Ĺ ŀ ş ă ĿÐęŇŢŞŚł ŞĆ¹ ńł ă¼ ź ŠĹ ÐśăÐţ đ đűŀ ŞńďřŽą ŇĂă ź şŀðśşş ŚąŰďðňÐŞŻŀ ŀćăľł ĹşřŠŰŀřĆŮŞŚğůÐť řăňăł ďůŀ source pencil Śąľ řĺŀ source pencil ŀ Ćăľ ł Ĺş řćůşść Ð ł Żŀ řşń¾ăŀðęň řăňăł ďůŀ source plane ĚăŐĹ Ŀ¾ŚĚąůÐł Żŀ řşń¾ăŀðęň ŢĚŰ ŇŽďŀ ŚăÐă ĿÐęŇ ŀ ł ŀ ŰĹ Ðł ŀ ă śžşĺą ź -60 ŢĚŰč ą ĿÐÐŀ Şă ĿÐęŇŚł ŀ 2 č ą ĿÐÐŀ ŞŽ ŐĹ 1.17 Śąľ 1.33 MeV ŇŽůŀ ŽăňůÐý Ňďń 5.26 ĆŇ 27
Gamma sources 60 Ni * 60 Ni * 28
Gamma sources Cs-137 ÞŇřÞŇĂ -137 ć ąń ś¾ăł ŀ ăęł Ŀ¾ðŀ ł řý ŐŰĹřč ąńðşńďřžąňăăźţý ŰŚąŰď ś¾ă Ň yield Ćăľ ŀ ¼ 6.2% ŢŞ U-235 Śąľ 6.6% ŢŞ Pu-239 Ś ůřďąŀ ŚĂł ĹĹł ŀðľ ŇŽďŀ ŚăÐăĿÐęŇðŻŀřčŀľą¾ąÐţĆł ďůŀ 3 řğ ůŀ Ćăľ ŀ ¼ 20-25 Ci/g řşőůĺððŀ ł ĞŔł řðőĺćş¾űďă Cs-133 ÞňůÐřĆŮŞţ ĹśÞśğĆřęĞŇĂă Śąľ Cs-135 ğňů ŇŽůŀŽăňůÐýŇďń Ăŀď ŀł (2.3x10 6 ĆŇ) Cs-137 ŢĚŰřÝč ŀ ľ ăŀðęňřş ŀ Śąľ daughter Ž ŐĹ Ba-137m Ţ Ě Űă ĿÐę Ň Śł ŀ ţ ůşńă ŢýŰ ŀł ŞĿł ŢŞĹő ęŀěł ăă řşőůĺððŀł ŇĹŻŀŞŀðğľąőğľąďÐ Żůŀł ďůŀ Co-60 Ğ ňðś Űð ľ ŇŽ ůŀ Ž ă ňůðý Ňď ń Ă ŀ ď ł ď ůŀ (30.23 ĆŇ) Ş Ĺ ł ð ŀ ł Ş ŇŰř ŐůĹ ę ą ŀ Ă Ŀď ŢĚŰă ĿÐęŇŚł ŀ řč ŇĂÐ 1 photons/disintegration Cs-137 ŇŠ ŰĹ ¾Ňğ Ňů ŰĹ Ðł ŀ ă biological shield ĚŞŀ ŞŰĹĂł ďůŀ Co-60 ð ňð Ŀł ğ Żŀ Ţ Ě Ű řćůş mobile irradiator ðňðęľ ¾ďł ğ Ňůðľ ń¾ ĿŰÐş ŞăĞş ăăğőł řžąőůĺşğ Ňů 29
Gamma sources 30
Types of radiation and shielding X-rays are high-energy photons, like gamma radiation. They are produced artificially by the deceleration (or acceleration) of an electron beam, such as firing an electron beam at a metal target. X rays are similarly penetrating and, in the absence of shielding by dense materials, can deliver significant does to internal organs. Gamma rays typically have higher energy (MeV's) than X-rays (kev's). X- rays and gamma rays are low LET 31
Types of radiation and shielding Neutron radiation (n) is a neutron emitted by an unstable nucleus, in particular during fission and fusion reactions. Because they are electrically neutral, they can be very penetrating and when they interact with matter or tissue, they cause the emission of beta and gamma radiation. Neutron radiation therefore requires heavy shielding to reduce exposures. Free neutrons are unstable and will decay into proton and beta particle with half life 12 mins. Fast n = high LET 32
More on neutron radiation Because neutrons has no charge and can only efficiently transfer energy by collision with atoms with similar mass to neutron (hydrogen), it can be very penetrating similar to gamma radiation Neutron shielding can be materials with high hydrogen content, for example, paraffin, polyethylene, concrete, water Several feet of water or concrete are required to stop most of them Example of sources: Cf-252, Pu-240 (both spontaneous fission), Am(α,n)Be, Pu(α,n)Be neutron sources. Pu/Be is most widely used. 33
Neutrons Spontaneous fissions Many transuranic heavy nuclides have an appreciable spontaneous fission decay probability. Several fast neutrons are emitted in each fission event, so a sample of such radionuclide can be a simple and convenient neutron source. Other products are heavy f.f., prompt gamma ray, beta and gamma activity of f.p. accumulated within the sample. The source is generally encapsulated in a sufficiently thick container so that only fast neutrons and gamma rays are emitted.
Neutrons Radioisotope (α,n) sources Alpha particles can be conveniently obtained from radioisotopes. The maximum neutron yield is obtained when beryllium is chosen as the target: 2 α4 + 4 Be 9 6 C12 + 0 n 1 Q = + 5.71 MeV Most of alpha particles are stopped in the target, and only 1 in ~ 10 4 reacts with beryllium nucleus.
Neutrons Photoneutron sources Some gamma emitter can be used to produce neutron when combined with an appropriate target material. The photoneutron source is based on supplying sufficient excitation energy to the target nucleus by absorption of gamma ray to allow emission of free neutron. Be-9 and H-2 are practical significant sources: hν + 4 Be 9 4 Be8 + 0 n 1 Q = -1.666 MeV hν + 1 H 2 1 H1 + 0 n 1 Q = -2.226 MeV Only gamma rays with at least the Q energy is required to make the reaction energetically possible. If gamma rays are monoenergetic, neutrons are also nearly monoenergetic.
Neutrons The main disadvantage is the large gamma-ray activity. Construction of a simple spherical photoneutron source
Neutron sources Base on spontaneous fission or nuclear reactions or fusion Examples: Q-value 98 Cf252 M 105 + N 145 + 2 0 n 1 (2.65 y, 3.0%) + 195 MeV 2 α4 + 4 Be 9 6 C12 + 0 n 1 + 5.71 MeV hν + 4 Be9 4 Be8 + 0 n 1-1.666 MeV hν + 1 H2 1 H1 + 0 n 1-2.226 MeV 1 H2 + 1 H2 2 He3 + 0 n 1 + 3.26 MeV 1 H2 + 1 H3 2 He4 + 0 n 1 + 17.6 MeV
Delayed Neutron Emission A few fission products undergo decay and emit neutrons, but half life is too small to be a practical laboratory n source: 87 Br (55 seconds) β - 87 Kr* 86 Kr + n
อ นตรก ร ยาของร งส ก บสสาร 40
Interaction of gamma ray with matter There are 4 important types of gamma ray interaction with matter, depending on the energy of gamma ray: Photoelectric Effect Compton Scattering Pair Production Photonuclear Reactions In addition, there are two processes with very small energy transfer: Thomson (elastic) scattering on a free electron, redirection of low energy photon without change in energy Raleigh (coherent) scattering results from combined (coherent) action of an atom as a whole. 41
Photoelectric Effect Occurs predominantly when gamma ray or X-ray carries energy < 0.1 MeV Photon transfers the entire energy to the inner orbital electron The incident photon disappears The photoelectron is ejected from the atom with kinetic energy: E k = energy of photon binding energy 42
X-ray K L M Photoelectron 43
Photoelectric Effect For gamma ray of sufficient energy, the most probable origin of photoelectron is the most tightly bound or the K-shell electron. As the photoelectron is ejected, a vacancy is produced in the atomic orbital which is then filled with an electron from a higher atomic orbit. This process results in the emission of a characteristic X-ray, which is itself absorbed in the material. 44
Photoelectric Effect Probability of photoelectric const*(z n /E 3 ) n can be from 3 for low energy gamma to 5 for high energy gamma It can be seen that chance of photoelectric effect occurring increases with lower gamma energy and with higher Z number This effect is important for < 1 MeV gamma incident on high Z materials (so lead is good for gamma ray shielding). 45
Compton scattering Occurs predominantly when gamma ray or X-ray carries energy > 0.1 MeV Most prominent interaction mechanism for gamma-ray energies typical of radioisotope sources Photon transfers part of its energy to the outer shell electron The Compton electron is ejected from the atom It continues until it recombines with matter The incident photon leaves the atom with lower energy making an angle with the incident direction 46
Scattered photon Compton s electron 47
Probability of Compton scattering const*(z/e) 48
Occurs when gamma ray energy >= 1.022 MeV in the presence of an atomic nucleus to provide a coulomb field Positron-electron pair is created and the remaining gamma ray energy is transferred to the newly created pair The positron energy will be attenuated in the matter Once it collides with orbital electron, the two will annihilate, giving out two gamma rays each with 0.511 MeV energy travelling on the opposite side Probability of pair production const*z 2 (E-1.2) Dominant for high Z materials with > 5 MeV gamma ray Pair production 49
gamma 0.511 MeV annihilation Positron Pair production gamma 0.511 MeV Negative electron 50
Major types of gamma interaction w.r.t Z and photon energy 51
Photonuclear Reactions The gamma ray photon interacts with the nucleus directly: (γ,n), (γ,p), (γ,2n), (γ,α), (γ,f), etc. These are threshold reactions, meaning that the incident photon must possess energy high enough to overcome the binding energy of the ejected nucleon Need at least several MeVs of photon energy (x-ray normally has energy in the kev range, gamma ray normally has energy in the MeV range, so predominantly for gamma ray) For example, 206 Pb(γ,n) 205 Pb, E min = 8 MeV 52
Photonuclear Reactions 53
Elastic and coherent scattering Occurs with x-ray energies < 10 kev Incoming x-ray photon strikes an atom and is absorbed the atom gets excited The same amount of energy is released in another x-ray emitting in a different direction In essence, this is simply a redirection of x-ray; the x-ray energy remains the same 54
Coherent Scattering Photoelectric Effect Compton Scattering Pair Production Photonuclear reactions 55
Interaction of alpha and beta particles with matter Beta Positron Alpha 56
Interaction of neutron with matter Neutron has no charge, so it can travel far into matter Five types of interaction Elastic scattering Inelastic scattering Transmutation Radiative capture Fission 57
Elastic scattering (n,n) This is analogous to billiard ball collision A neutron particle collides with the nucleus, transfers some energy to it, and bounces off in a different direction The target nucleus gains the energy lost by the neutron, and then travels off This is the underlining mechanism for radiation damage in matter If the neutron collides with a massive nucleus, it rebounds with almost the same speed and loses very little energy Light nuclei will gain a lot of energy and will therefore be more effective for slowing down neutrons Elastic scattering is not effective in slowing down neutrons with very high energy (> 150 MeV) 58
Inelastic scattering (n,n') A neutron strikes a nucleus and is temporarily absorbed, forming an unstable compound nucleus in an excited state It then de-excites by emitting another neutron of lower energy, together with a gamma photon, which takes the remaining energy This process is most effective at high neutron energies in heavy materials 59
Transmutation (n,p), (n,α) A nucleus may absorb a neutron forming a compound nucleus, which then de-energizes by emitting a charged particle, either a proton or an alpha particle This produces a nucleus of a different element These nuclear reactions are most likely to occur when the energy of the incident particle is between a few MeV and several tens of MeV. (Transmutation is the transformation of one element into another by a nuclear reaction) 60
Neutron and Boron 1 n 10 B 4 He 7 Li 0.478 MeV gamma 61
Radiative capture (n,γ) This is one of the most common nuclear reactions The neutron is absorbed into the nucleus The compound nucleus formed emits only a prompt gamma photon In other words, the product nucleus is an isotope of the same element as the original nucleus and are usually radioactive and are beta and gamma emitters This reaction, which occurs in most materials, is the most important one for neutrons with very low energy 62
Neutron and Cadmium 1 n 113 Cd 114 Cd 9 MeV gamma 63
Neutron and Gadolinium 157 Gd 158 Gd 1 n 0.13 MeV gamma 64
Fission While bombarding heavy nuclei with neutrons, a highly excited compound nucleus might be formed It might split into two nuclei, releasing energy and more neutrons This is the fundamental process for generating thermal energy in nuclear reactors 65
An interior view of the RPV with fuel bundles removed RPV of PWR is ~20 m high, 4 m in diameter and ~22 cm thick. 66
The reactor core The harmless blue light, called Cerenkov Radiation, originates from energetic particles traveling 67 at a speed greater than the speed of light in the water. As it slows down, it emits the blue glow.
68 Callaway nuclear power plant
Civaux nuclear power plant, France (1,500 MWe) 69
Diablo Canyon Nuclear Power Plant, San Louis Obispo, CA, USA 70
71
ผลทางช วว ทยาของร งส 72
How does ionizing radiation affect cells? Nuclear radiation, unlike the radiation from a light bulb or a microwave, is energetic enough to ionize atoms by knocking off their electrons. This ionizing radiation can damage DNA molecules directly, by breaking the bonds between atoms, or it can ionize water molecules and form free radicals, which are highly reactive and also disrupt the bonds of surrounding molecules, including DNA. If radiation changes DNA molecules enough, cells can t replicate and begin to die, which causes the immediate effects of radiation sickness -- nausea, swelling, hair loss. Cells that are damaged less severely may survive and replicate, but the structural changes in their DNA can disrupt normal cell processes -- like the mechanisms that control how and when cells divide. Cells that can t control their division grow out of control, becoming cancerous. 73
How does ionizing radiation affect cells? The absorption of energy from ionizing radiation produces damage on DNA by direct and indirect actions (chemical bonds breaking). For direct action, damage occurs as a result of ionization of atoms on key molecules in the biologic system. This causes inactivation or functional alteration of the molecule. This occurs by photoelectric and Compton interactions. Ionization occurs at all radiation qualities but is predominant at high LET radiations. Absorption of energy sufficient to remove an electron can result in bond breaks. Indirect action involves the production of reactive free radicals from water molecules whose toxic damage on the key molecule results in a biologic effect (most abundant molecules in human is water). Predominate with low LET radiation. Electrons interact with water to form OH radicals (2/3 of x-ray biological damage). (A free radical is an electrically neutral atom with an unshared electron in the orbital position. The radical is highly reactive.) 74
75 DNA is found in every cell and consists of molecules that determine the function that each cell performs. When radiation interacts with a cell wall or DNA, the cell either dies or becomes a different kind of cell, possibly even a cancerous one.
76
77
Chromosomal deletions Chromosomal translocations 78
Actual photograph of human chromosomes in a cell that had received gamma ray treatment. Some are intact, others show breaks (indicated by arrows) produced by radiation. The piece which has broken off will be lost when the cell divides. Number of chromosome breaks depends on radiation dose. http://www.ratical.org/radiation/cnr/pp/chp3.html 79
80
Mitotic (reproductive) death: Irradiation of the cell causes cell death at mitosis as a result of the inability to divide. 81
Radiation hit cell nucleus Chemically active substances can be formed which in some cases alter the structure of the cells. These alterations may be the same as those changes that occur naturally in the cell and may have no negative effect. No change DNA mutation Source: RADIATION PROTECTION IN NUCLEAR MEDICINE, IAEA 82
Mutation repaired Viable Cell Unviable Cell Cell death DNA Mutation Cell survives but mutated Cancer? Source: RADIATION PROTECTION IN NUCLEAR MEDICINE, IAEA 83
Radiation induced membrane damage Biological membranes serve as highly specific mediators between the cell and the environment. Alterations in the proteins that form part of a membrane s structure can cause changes in its permeability to various molecules, i.e., electrolytes. In the case of nerve cells, this would affect their ability to conduct electrical impulses. In the case of lysosomes (ถ งเล กภายในบรรจ ด วย hydrolytic enzyme ท าหน าท เป น ระบบย อยอาหารภายในเซลล ), the unregulated release of its catabolic enzymes into the cell could be disastrous. Ionizing radiation has been suggested as playing a role in plasma membrane damage, which may be an important factor in cell death (เล อดม ส วนประกอบหลายอย าง อ นได แก Plasma หร อน าเล อด เม ดเล อดแดง เม ดเล อดขาว และเกร ดเล อด) 84
Radiosensivity Young and rapidly dividing cells (high division rates) are more sensitive to ionizing radiation than cells with adult development Radiosensitivity (RS) = probability of a cell, tissue or organ of suffering an effect per unit of dose Cell DNA is the critical target for biological radiation damage High RS Medium RS Low RS Bone Marrow Spleen (ม าม) Thymus (ต อมไร ท อ) Lymphatic nodes (ต อม น าเหล อง) Gonads (อ ณฑะ,ร งไข ) Eye lens Lymphocytes (exception to the RS laws) Skin Mesoderm organs (liver, heart, lungs ) Muscle Bones Nervous system Liver Kidney 85
Cell repair A rough calculation shows that dose from natural radiation results in one ionization in the DNA-molecule in every cell in the body each year. Certain enzymes are checking the DNA strings and initiate a repair process. Cells can repair the damage if it is limited. Even damage to the chromosomes is usually repaired. Many thousands of chromosome aberrations (changes) occur constantly in our bodies. We have effective mechanisms to repair these changes. Thousands of dead cells are eliminated from the human body every day, and thus the body has a certain tolerance for it when radiation adds to the natural toll. 86
Radiation Sickness Radiation sickness is damage to your body caused by a very large dose of radiation often received over a short period of time (acute). The amount of radiation absorbed by the body the absorbed dose determines how sick you'll be. Radiation sickness is also called acute radiation sickness, acute radiation syndrome or radiation poisoning. Common exposures to low-dose radiation, such as X-ray or CT examinations, do not cause radiation sickness. Although radiation sickness is serious and often fatal, it's rare. Since the atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki, Japan, during World War II, most cases of radiation sickness have happened after nuclear industrial accidents, such as the 1986 nuclear reactor accident at a power station in Chernobyl, Ukraine. 87 Adopted from: http://edition.cnn.com/health/library/radiation-sickness/ds00432.html
Radiation Sickness -- Symptoms The severity of signs and symptoms of radiation sickness depends on how much radiation you've absorbed. How much you absorb depends on the strength of the radiated energy and the distance between you and the source of radiation. Absorbed dose and duration of exposure The absorbed dose of radiation is measured in a unit called a gray (Gy). Diagnostic tests that use radiation, such as an X-ray, result in a small dose of radiation typically well below 0.1 Gy, focused on a few organs or small amount of tissue. Signs and symptoms of radiation sickness usually appear when the entire body receives an absorbed dose of at least 1 Gy. 88
Radiation Sickness -- Symptoms Doses greater than 6 Gy to the whole body are generally not treatable and usually lead to death within two days to two weeks, depending on the dose and duration of the exposure. Initial signs and symptoms The initial signs and symptoms of treatable radiation sickness are usually nausea and vomiting. The amount of time between exposure and when these symptoms develop is an indicator of how much radiation a person has absorbed. After the first round of signs and symptoms, a person with radiation sickness may have a brief period with no apparent illness, followed by the onset of new, more serious symptoms. In general, the greater your radiation exposure, the more rapid and more severe your symptoms will be. 89
Radiation Sickness -- Symptoms 90
Radiation Sickness -- Symptoms When to see a doctor An accident or attack that causes radiation sickness would no doubt cause a lot of attention and public concern. If an event occurs, monitor radio, television or online reports to learn about emergency instructions for your area. If you know you've been exposed to radiation, seek emergency medical care. 91
Radiation Sickness -- Causes Radiation sickness is caused by exposure to a high dose of radiation Sources of high-dose radiation Possible sources of high-dose radiation include the following: An accident at a nuclear industrial facility An attack on a nuclear industrial facility Detonation of a small radioactive device Detonation of a conventional explosive device that disperses radioactive material (dirty bomb) Detonation of a standard nuclear weapon Radiation sickness occurs when high-energy radiation damages or destroys certain cells in your body. Regions of the body most vulnerable to high-energy radiation are cells in the lining of your intestinal tract, including your stomach, and the blood cell-producing cells of bone marrow. 92
Radiation Sickness Tests and diagnosis When a person has experienced known or probable exposure to a high dose of radiation from an accident or attack, medical personnel take a number of steps to determine the absorbed radiation dose. This information is essential for determining how severe the illness is likely to be, which treatments to use and whether a person is likely to survive. Information important for determining an absorbed dose includes: Known exposure. Details about distance from the source of radiation and duration of exposure can help provide a rough estimate of the severity of radiation sickness. Vomiting and other symptoms. The time between radiation exposure and the onset of vomiting is a fairly accurate screening tool to estimate absorbed radiation dose. The shorter the time before the onset of this sign, the higher the dose is. The severity and timing of other signs and symptoms may also help medical personnel determine the absorbed dose. 93
Radiation Sickness Tests and diagnosis Blood tests. Frequent blood tests over several days enable medical personnel to look for drops in disease-fighting white blood cells and abnormal changes in the DNA of blood cells. These factors indicate the degree of bone marrow damage, which is determined by the level of an absorbed dose. Dosimeter. A device called a dosimeter can measure the absorbed dose of radiation but only if it was exposed to the same radiation event as the affected person. Survey meter. A device such as a Geiger counter can be used to survey people to determine the body location of radioactive particles. Type of radiation. A part of the larger emergency response to a radioactive accident or attack would include identifying the type of radiation people have been exposed to. This information would guide some decisions for treating people with radiation sickness. 94
Radiation Sickness Complications Radiation sickness itself doesn't cause long-term medical problems for those who survive the illness. However, the radiation exposure that caused the immediate radiation sickness does significantly increase a person's risk of developing cancer later in life. Having radiation sickness could also contribute to both short-term and long-term mental health problems, such as grief, fear and anxiety about: Experiencing a radioactive accident or attack Mourning friends or family who haven't survived Dealing with the uncertainty of a mysterious and potentially fatal illness Worrying about the eventual risk of cancer due to radiation exposure 95
Radiation Sickness Treatments and drugs Radiation sickness treatment is aimed at preventing further radioactive contamination, managing organ damage, reducing symptoms and managing pain. Decontamination This phase of radiation sickness treatment removes external radioactive particles to the greatest extent possible. Removing clothing and shoes eliminates about 90 percent of external contamination. Gently washing with water and soap removes additional radiation particles from the skin. Decontamination at the start of radiation sickness treatment prevents further distribution of radioactive materials and lowers the risk of internal contamination from inhalation, ingestion or open wounds. 96
Radiation Sickness Treatments and drugs Treatment for damaged bone marrow A protein called granulocyte colony-stimulating factor, which promotes the growth of white blood cells, is used in radiation sickness treatment to counter bone marrow damage. This protein-based medication, which includes filgrastim (Neupogen) and pegfilgrastim (Neulasta), may increase white blood cell production and help prevent subsequent infections. If you have severe damage to bone marrow, radiation sickness treatment may also include transfusions of red blood cells or blood platelets. 97
Radiation Sickness Treatments and drugs Treatment for internal contamination Some radiation sickness treatments may reduce organ damage caused by radioactive particles. Medical personnel would use these treatments only if you've been exposed to a specific type of radiation. These treatments include the following: Potassium iodide. This is a nonradioactive form of iodine. Because iodine is essential for proper thyroid function, the thyroid becomes a "destination" for iodine in the body. If you have internal contamination with radioactive iodine (radioiodine), your thyroid will absorb radioiodine just as it would other forms of iodine. Treatment with potassium iodide may fill "vacancies" in the thyroid and prevent absorption of radioiodine. The radioiodine is eventually cleared from the body in urine. 98
Radiation Sickness Treatments and drugs Prussian blue. This type of dye binds to particles of radioactive elements known as cesium and thallium. The radioactive particles are then excreted in feces. This treatment speeds up the elimination of the radioactive particles and reduces the amount of radiation cells may absorb. Diethylenetriamine pentaacetic acid (DTPA). This substance binds to metals. DTPA binds to particles of the radioactive elements plutonium, americium and curium. The radioactive particles pass out of the body in urine, thereby reducing the amount of radiation absorbed. 99
Radiation Sickness Treatments and drugs Supportive treatment If you have radiation sickness, you may receive additional medications or interventions to treat: Bacterial infections, headache, fever, diarrhea, nausea and vomiting, dehydration. End-of-life care A person who has absorbed large doses of radiation (6 Gy or greater) has little chance of recovery. Depending on the severity of illness, death can occur within two days or two weeks. People with a lethal radiation dose will receive medications to control pain, nausea, vomiting and diarrhea. They may also benefit from psychological or pastoral care. 100
ผลของร งส ท ม ต อมน ษย ผลของร งส ท สามารถส งเกตได อาจแบ งออกอย างกว าง ๆ ได 2 แบบ ค อ 1. Deterministic effects ผลทางช วว ทยาเน องจากการได ร บร งส ส วนใหญ จะเป นแบบ Deterministic effects เช น Blood change (การลดลงของจ านวนเม ดโลห ต) Erythema (การเก ดผ นแดงท ผ วหน ง) Cataract (การเก ดต อกระจก) โดย จะต องได ร บปร มาณร งส เก นระด บ Threshold จ งจะสามารถส งเกตผลโดย เฉพาะท เก ดข นได ขนาดของผลท เก ดข นจะเพ มข นตามขนาดของปร มาณร งส ท ได ร บ ม ความส มพ นธ ท แน นอนระหว างปร มาณร งส ท ได ร บก บผลท ส งเกตได 101
ผลของร งส ท ม ต อมน ษย 2. Stochastic effects (Linear, Zero-threshold dose response effects) ตามความหมายของ Stochastic แล วจะหมายถ ง occur by chance (เก ดโดยการ ส ม) ด งน นผลของร งส แบบน จ งข นอย ก บโอกาส การได ร บร งส จะท าให โอกาสใน การเก ดผลเพ มมากข น เช น มน ษย เราอาจเป นมะเร งได แม ว าจะได ร งร งส หร อไม ได ร บก ตาม แต การได ร บร งส อาจเป นการเพ มโอกาสในการเป นมะเร งให มากข น ย งได ร บร งส มากข น โอกาสเป นมะเร งก จะย งมากข น แต เราไม ทราบความส มพ นธ ท ช ดเจนระหว างการเก ดมะเร งและการได ร บร งส เราเพ ยงแค คาดคะเนโอกาสของ การเก ดมะเร งเน องจากการได ร บร งส เท าน น เราอาจสร ปความแตกต างระหว าง Deterministic และ Stochastic effects ได ด งน Deterministic effects ความร นแรงจะเก ยวข องก บปร มาณร งส ท ได ร บ Stochastic effects โอกาสท จะเก ดข นจะข นอย ก บปร มาณร งส ท ได ร บ 102
ร ปแสดง Dose-response curves โดย Curve A เป นการตอบสนองแบบ Deterministic effects ส วน Curve B เป นการตอบสนองแบบ Stochastic effects 103
โอกาสในการร บร งส มน ษย เราม โอกาสในการร บร งส ได เป น 2 ร ปแบบ ค อ 1. Acute exposure ค อการได ร บร งส ปร มาณส ง ๆ ในช วงระยะเวลา ส นๆ เช น กรณ เก ดอ บ ต เหต ทางร งส ซ งจะท าให ผลท เก ดข นจาก การได ร บร งส แบบน ปรากฏอาการข นในระยะเวลาไม นานหล งจาก ได ร บร งส 2. Chronic exposure ค อการได ร บร งส ปร มาณน อย ๆ และได ร บ ต ดต อก นเป นระยะเวลานาน ๆ เช น การได ร บร งส ของผ ท างาน เก ยวข องก บร งส ซ งผลท เก ดข นจากการได ร บร งส แบบน อาจ ปรากฏอาการหล งจากได ร บร งส แล วเป นเวลาหลายป 104
เซลล ในร างกายมน ษย ร างกายของมน ษย ประกอบด วยเซลล 2 ชน ด ค อ - Somatic cell เป นเซลล ท ประกอบก นเป นอว ยวะและเน อเย อต าง ๆ - Germ cell (เซลล ส บพ นธ ) เป นเซลล ท ร บผ ดชอบในการถ ายทอดทางพ นธ กรรม ด งน นเม อมน ษย ได ร บร งส ผลท เก ดข นก บร างกายจ งสามารถแบ งเป น ประเภทใหญ ๆ ได 2 ประเภท ค อ - Somatic effects ผลกระทบต อร างกายของบ คคลท ได ร บร งส รวมถ งผลกระทบต อเด กหล ง คลอดท ได ร บร งส ขณะอย ในครรภ มารดา - Genetic effects (Hereditary effects) ผลกระทบของร งส ต อรห สพ นธ กรรมในเซลล ส บพ นธ ของผ ท ได ร บร งส แล วถ ายทอดล กษณะทางพ นธ กรรมไปย งร นถ ดไป 105
Somatic effects เป นผลท เก ดข นก บร างกายของผ ได ร บร งส ซ งสามารถแบ งได เป น 2 แบบ ค อ Early effects หร อ Acute effects เป นผลท เก ดข นเม อร างกายได ร บปร มาณร งส ส ง ๆ ในช วงเวลาส น ๆ เราอาจแบ งระด บอาการท เก ดข น (acute radiation syndrome) ได เป น 3 กล มอาการ ข นก บปร มาณร งส ท ได ร บได ด งน 1.1 กล มอาการทางเล อด (Hemopoietic syndrome) เป นอาการท เก ดข น หล งจากได ร บร งส แบบ whole body acute exposure ประมาณ 2-10 Gy โดย ร งส จะไปกดการสร างเม ดเล อดของ Bone marrow (ไขกระด กส นหล ง) หร อ อาจท าให Bone marrow หย ดสร างเม ดเล อด ซ งข นอย ก บปร มาณร งส ท ได ร บ เก ดอาการคล นไส และอาเจ ยนภายในเวลาหลายช วโมงหล งจากได ร บร งส ผ ท ได ร บร งส จะร ส กอ อนเพล ยและเม อยล า และจะเก ดผมร วงในระหว างส ปดาห ท 2-3 หล งจากได ร บร งส อาจม อาการเล อดไหลไม หย ดและต ดเช อได ง าย อาจ เส ยช ว ตภายใน 1-2 เด อน 106
Somatic effects ผลของร งส ท ส าค ญจะเก ดข นท Bone marrow และระบบเล อด การกดการท างานของ Bone marrow จะเร มท ปร มาณร งส ประมาณ 2 Gy ท ปร มาณร งส ประมาณ 4-6 Gy Bone marrow จะหย ดการสร างเม ดเล อด แต Bone marrow อาจกล บฟ นข นมาได เองถ าผ ได ร บร งส สามารถรอดช ว ตไปได ท ปร มาณร งส ประมาณ > 7 Gy Bone marrow จะถ กท าลายอย างส นเช งโดย ไม อาจกล บฟ นข นมาได อ ก ส วนในระบบเล อด จะเก ดการเปล ยนแปลงของจ านวนเม ดเล อด เน องจาก Bone marrow หย ดสร างเม ดเล อดหร อโดนกดการท างาน โดยการ เปล ยนแปลงน จะข นอย ก บปร มาณร งส ท ได ร บ จ านวนเม ดเล อดขาวจะต ามาก โดย Lymphocyte (~ ¼ ของเม ดเล อดขาวท งหมดและเพ มข นเม อม การต ดเช อ) จะม จ านวนน อยกว า 500 / nm 3 ภายในว นแรกหร อว นท 2 หล งจากได ร บร งส ซ งจะท าให ม โอกาสตายเน องจากการต ดเช อได เราเร ยกการตายแบบน ว า 107 Infection death
Somatic effects 1.2 กล มอาการทางระบบทางเด นอาหาร (Gastrointestinal syndrome) เป น อาการท เก ดข นหล งจากได ร บร งส แบบ whole body acute exposure ประมาณ > 10 Gy โดยร งส จะไปท าลายเซลล เย อบ ล าไส จะปรากฏอาการท งหมดของ Hemopoietic syndrome แต อาการคล นไส และอาเจ ยนจะร นแรงมากข น และ จะเก ดอาการท องร วง ซ งอาจเก ดข นหล งจากได ร บร งส แล วไม นาน ผ ท ได ร บ ร งร งส ส วนใหญ จะเส ยช ว ตภายใน 1-2 ส ปดาห หล งจากได ร บร งส เราเร ยก การตายแบบน ว า Gastrointestinal death 108
Somatic effects 1.3 กล มอาการทางระบบประสาทส วนกลาง (Central Nervous Syndrome: CNS syndrome) เป นอาการท เก ดข นหล งจากได ร บร งส มากกว า 20 Gy จะ เก ดการท าลายระบบประสาทส วนกลางพร อม ๆ ก บอว ยวะอ น ๆ ในร างกาย จะเก ดการหมดสต ภายในระยะเวลาเป นนาท หล งจากได ร บร งส ผ ท ได ร บร งส อาจตายภายในเวลาเป นนาท หร อเป นว นหล งจากได ร บร งส เราเร ยกการตาย ในแบบน ว า CNS death 109
Somatic effects อาการท เก ดข นร วมก นของ acute radiation syndrome ท ง 3 ระด บ ค อ คล นไส และอาเจ ยน อ อนเพล ย และเม อยล า เป นไข การเปล ยนแปลงของระบบเล อด ผลของร งส อ น ๆ ท พบหล งจากได ร บร งส แบบ whole body acute exposure ได แก Erythema (ผ นแดง) และ Sterility (เป นหม น) 110
Delayed effects หร อ Late effects ผลของร งส แบบ delayed effects น อาจเก ดจากการได ร บร งส แบบ Acute หร อ Chronic exposure ได ผลท เก ดข นได แก 1 การเก ดมะเร ง มะเร งท เก ดข นเน องจากการได ร บร งส ท พบมากได แก - มะเร งในเม ดเล อด (Leukemia) - มะเร งต อมไทรอยด (Thyroid cancer) - มะเร งกระด ก (Bone cancer) - มะเร งผ วหน ง (Bone cancer) 2 ต อกระจก (Cataract) ผลของร งส แบบ delayed effects ท ม ต อน ยน ตาค อ การเก ดต อกระจก ซ งอาจเก ดจากการได ร บร งส แบบ Acute หร อ Chronic exposure โดย Threshold dose ของการเก ด cataract ม ค าประมาณ 15 Sv 111
โอกาสเส ยงของการเก ดมะเร งชน ดต างๆ เน องจากการได ร บร งส ในอว ยวะต างๆ 112
Hereditary effects หร อ Genetic effects เป นผลของร งส ท เก ดข นก บเซลท ร บผ ดชอบในการถ ายทอดทาง พ นธ กรรม (germ cell) เม อเซลเหล าน ได ร บร งส จะท าให เก ดการเปล ยนแปลงของ DNA ใน โครโมโซม และม ผลต อการถ ายทอดทางพ นธ กรรมท าให เก ดความ ผ ดปกต ในร นล กหร อร นหลานได 113
กฎการสลายต วทางก มม นตร งส 114
Half life Half-life (t 1/2 ) ค อ ระยะเวลาท สารก มม นตร งส สลายต วไปคร งหน งจากปร มาณท ม อย ต งต น U-238 : 4.46 billion years Pu-239 : 24.1 thousand years H-3: 12.3 years การสลายต วของสารก มม นตร งส เป นไป ด งสมการ N(t) = N 0 e λt N(t) ค อ จ านวนอะตอมท เวลา t N 0 ค อ จ านวนอะตอมท เวลาเร มต น (t = 0) λ ค อ ค าคงท การสลายต วของสารก มม นตร งส ม ค าเท าก บ ln(2)/t 1/2 115
N 0 Number of atoms N 0 /2 N 0 /4 N 0 /8 1 2 3 Number of half-life 116
หน วยความแรงร งส หน วยของความแรงร งส ใช Becquerel : Bq 1 Bq หมายถ ง การสลายต วหน งคร งต อว นาท (disintegration per second -- dps) ความแรงร งส ในหน วยเก าใช ค ร (Curie : Ci) โดยท 1 Ci = 3.7 10 10 Bq (หน วย ใหม = 1 disintegration/s) 1 ค ร ม ค าเท าก บอ ตราการสลายต วของ Ra-226 1 กร ม ในเวลา 1 ว นาท 117
ต วอย างการค านวณเก ยวก บความแรงร งส ก าหนดค าคร งช ว ตของ P-32 เท าก บ 14.3 ว น ความแรงร งส เร มต นค อ 250 µci จงหาความแรงร งส เม อเวลาผ านไป 6 ส ปดาห A(t) = A 0 e λt A(42 days) = 250e [(ln(2) /14.3) 42] A(42 days) = 32.66 µci สามารถค านวณความแรงร งส จากปร มาณอะตอมท ม อย ได ด วย A(t) = λn(t) 118
Nuclear fission reaction Spontaneous fission เก ดข นเองได ยาก เป นหน งในการสลายต วทางร งส ของธาต ก มม นตร งส เช น Cf-252 (ใช มากส ด ซ งสลายต วท งแบบ Spontaneous fission และ Alpha decay), Pu-240 Cf-252: 1 ไมโครกร มสลายต ว 6.14 x 10 5 คร งต อว นาท แต ละคร งในการแตกต วปลดปล อยน วตรอนหลายต ว Induced fission ย งอน ภาคน วตรอนเข าไปชนก บน วเคล ยสของอะตอมเพ อเพ มพล งงาน กระต นให ก บน วเคล ยส ท าให พล งงานกระต นมากกว าค าพล งงาน critical energy ของอะตอมท า 119 ให แตกต ว
Spontaneous fission Fission is asymmetric: light group and heavy group with average mass number 108 and 143 (E~ 80 and 105 MeV). The fragment appears initially as positive ions with the net charge approaching the atomic number of the fragment. As it slows down by interaction with materials, electrons are picked up, reducing effective charge. Energy shared between two f.f. is ~ 185 MeV.
Spontaneous fission Mass distribution of s.f.
Nuclear fission reaction Fissile nuclei เช น U-235, Pu-239 เก ดปฏ ก ร ยาฟ ชช นก บน วตรอนพล งงานต า (Thermal neutron) ด งน นในแกนปฏ กรณ น วเคล ยร ต องม ต วหน วงความเร วน วตรอน (Neutron moderator) ท เก ดจากปฏ ก ร ยาฟ ชช น ท เป นน วตรอนพล งงาน ส ง (Fast neutron) ให ม พล งงานต าพอท จะท าให เก ด Fission reaction ก บ Nuclei เหล าน ได โดยปกต ใช น า Fissionable nuclei เช น U-238, Pu-240 เก ดปฏ ก ร ยาฟ ชช นก บน วตรอนพล งงานส ง (Fast neutron) เท าน น 122
พล งงานท ได จากปฏ ก ร ยาฟ ชช น U n Sr Xe 235 1 95 139 92 + 0 38 + 54 + 2 1 0 n มวลรวมก อนท จะเก ดปฏ ก ร ยาฟ ชช นเท าก บ 234.9934 + 1.0087 = 236.0021 amu มวลรวมหล งจากเก ดปฏ ก ร ยาฟ ชช นเท าก บ 94.8984 + 138.8890 + 2.0174 = 235.8048 amu มวลหายไป = 0.1973 amu มวลท สลายไป 1.000 amu จะกลายเป นพล งงาน 931.5 MeV 0.1973 amu เปล ยนไปเป นพล งงานเท าก บ 0.1973 931.5 = 184 MeV สามารถเปล ยนหน วยเป น Joules ได โดย: 1 MeV = 1.6022 10-13 J 123
ปร มาณร งส ส มผ ส (Exposure dose) เป นการว ดการแตกต วเป นประจ อ นเน องจากการถ ายเทพล งงานของ ร งส เอกซ หร อร งส แกมมาในอากาศ ซ งจะใช หน วยว ดเป น เร นต เกน (Roentgen) หร อ R ปร มาณร งส 1 เร นต เกน เป นปร มาณร งส เอกซ หร อแกมมา ท ท าให อากาศแห ง 1 ล กบาศก เซนต เมตร ณ ความด นและอ ณหภ ม มาตรฐาน แตกต วเป นประจ 1 esu SI unit : 1 R = 2.58 10-4 Coulomb/kilogram air (1 esu (electrostatic unit) = 3.336e-10 C) 124
ปร มาณร งส ด ดกล น (Absorbed dose) เป นปร มาณร งส ท ถ กด ดกล นไว ในต วกลางท ร งส เคล อนท ผ าน เด มใช หน วย แรด (rad) ซ งย อมาจาก radiation absorbed dose ใช ส ญล กษณ rad โดยท ปร มาณร งส 1 rad หมายถ ง ปร มาณร งส ท ถ ายเทพล งงาน จ านวน 100 ergs ให แก ต วกลางซ งม น าหน ก 1 กร ม 1 rad = 100 ergs/g = 0.01 J/kg ในป จจ บ นได เปล ยนมาใช หน วย เกรย (Gray) ซ งเป นหน วยในระบบ SI โดยท ปร มาณร งส 1 เกรย หมายถ ง ปร มาณร งส ท ถ ายเทพล งงานจ านวน 1 Joule ให แก ต วกลางซ งม น าหน ก 1 ก โลกร ม 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad 125
ปร มาณร งส สมม ลย (Equivalent Dose) เน องจากร งส แต ละชน ดให ผลทางช วว ทยาต อเน อเย อของส งม ช ว ต แตกต างก น แม จะได ร บปร มาณร งส ด ดกล นท เท าก น จ งได ม การ ก าหนดปร มาณร งส ข นมาอ กชน ดหน งเพ อประโยชน ในงานด านการ ป องก นอ นตรายจากร งส ปร มาณร งส ชน ดน นค อ ปร มาณร งส สมม ลย ซ งเป นหน วยท น าเอาผล ทางช วว ทยาของร งส เข ามาเก ยวข องด วย (Absorbed dose ท เท าก นของร งส แต ละชน ด อาจส งผลทางช วว ทยาไม เท าก น เช น Alpha particle ก อให เก ดอ นตรายมากกว า beta particles, gamma rays และ x rays ใน Absorbed dose ท เท าๆ ก น) 126
ปร มาณร งส สมม ลย (Equivalent Dose) H T, R = w R D T,R H T,R = ปร มาณร งส สมม ลย จากร งส ชน ด R ในเน อเย อหร ออว ยวะ T D T,R = ปร มาณร งส ด ดกล นเฉล ยจากร งส ชน ด R ในเน อเย อหร ออว ยวะ T w R = ค า Radiation weighting factor ของร งส ชน ด R REM = RAD x Radiation weighting factor 127
128
ปร มาณร งส สมม ลย (Equivalent Dose) หน วยเด มของปร มาณร งส สมม ลย ค อ REM (roentgen equivalent man) ต อมาได เปล ยนมาใช หน วย Sievert (Sv) ในระบบ SI unit โดยท 1 Sv = 100 rem w R of neutron strongly dependent on neutron energy 129
Summary 130
หล กของความปลอดภ ยทางร งส 131
Radiation warning sign 132
Supplementary symbol aims to help reduce needless deaths and injuries, launched 15 February 2007 by the IAEA and the International Organization for Standardization (ISO) 133
Golden Rules in Radiation Protection ใช ระยะเวลาปฏ บ ต งานส นท ส ด (Minimize Time) อย ห างต นก าเน ดร งส มากท ส ด (Maximize Distance) ม การก าบ งร งส (Maximize Shielding) โดยม การปฏ บ ต เพ อให ปร มาณร งส ท ได ร บ As Low As Reasonably Achievable (ALARA) = ให ได ร บร งส น อยท ส ดเท าท จะท าได อย างม เหต ม ผล 134
Minimize time For the same dose rate, minimizing time means minimizing dose received ใช เวลาในการท างานส นท ส ด เพ อจะได ร บปร มาณร งส น อยท ส ด Dose = Dose rate x time = 50 mrem/hr x 1/2 hr = 25 mrem = 50 mrem/hr x 10 mins = 8.33 mrem 135
Maximize distance D D 1 2 = R R D 1 = dose rate at distance R 1 from the source D 2 = dose rate at distance R 2 from the source 2 1 2 D 1 R 1 D 2 R 2 136
การก าบ งร งส บ ตา พลาสต ก 90 ตะก ว Sr ต องค าน งถ งว สด ท จะน ามาใช เป น ว สด ก าบ ง โดยควรเป นว สด ท ม องค ประกอบของธาต ท ม เลขอะตอม (z) ต า การน าว สด ประเภทโลหะหร อว สด ท ม องค ประกอบของธาต ท ม เลขอะตอม ส ง มาก าบ งร งส บ ตาจะท าให เก ดร งส เอกซ แบบ Bremsstrahlung radiation ข นมา ย งเลขอะตอมของว สด ก าบ งส งข น เอกซ เรย ท เก ดข นก จะย งส งข นด วย 137
การก าบ งร งส แกมมา Low energy gamma or x-ray High energy gamma or x-ray 138
การเข าส ร างกายของสารก มม นตร งส สารก มม นตร งส สามารถเข าส ร างกายได โดย Inhalation (ทางการหายใจเข าไป) Ingestion (ทางการก นเข าไปทางปาก) Absorption through the unbroken skin (ด ดซ มผ านเข าไปทาง ผ วหน ง) Absorption through the wound (ด ดซ มผ านเข าไปทางผ วหน งท เป น บาดแผล) wounds absorption 103-5 inhalation ingestion 139
การเข าส ร างกายของสารก มม นตร งส ปร มาณร งส ท Target tissue ได ร บจากการท สารก มม นตร งส ไปสะสมอย จะข นก บ 1. ปร มาณของสารก มม นตร งส ท ไปสะสมในอว ยวะน น 2. ช วงระยะเวลาท สารก มม นตร งส น นอย ในร างกาย 3. ชน ดและพล งงานของร งส ท สารก มม นตร งส น นปลดปล อย ออกมา 140
Effective half-life ระยะเวลาท สารก มม นตร งส น นอย ในร างกาย จะข นอย ก บ Effective half-life โดยท T eff T r T b 1 T T eff eff = = 1 T = Effective half-life = Radioactive half-life = Biological half-life r r + TrTb T + T 1 T b b 141
Biological half-life ค อระยะเวลาท สารก มม นตร งส ในเน อเย อ อว ยวะ หร อร างกายลดลง คร งหน ง อ นเน องมาจากกระบวนการทางช วภาพ Pu in liver : 40 years Pu in bone : 100 years Tritium (H-3) : 10 days The biological half-life of tritium is about 10 days 100% 50% 25% 12.5% 6.25% 3.125% 0 Days 10 Days 20 Days 30 Days 40 Days 50 Days 142
Dose limits The International Commission on Radiological Protection, ICRP, is an independent registered not-for-profit organization, established to advance for the public benefit the science of radiological protection, in particular by providing recommendations and guidance on all aspects of protection against ionizing radiation ตาม 1990 Recommendations of ICRP (ICRP publication 60)ได ก าหนดข ดจ าก ด ปร มาณร งส (Dose Limits) ส าหร บผ ท างานด านร งส และบ คคลท วไปเพ อให เก ด ความปลอดภ ยจากการใช ประโยชน จากร งส ในด านต างๆ ไว ด งต อไปน 143
Dose limits เฉล ยท วร างกาย (Effective dose) เลนส ตา ผ วหน ง ม อและเท า (Extremities) เด กในครรภ ผ ปฏ บ ต งานทางร งส (Occupational exposure) 5 ป ต อเน อง รวมไม เก น 20 msv โดยในป ใดๆ ต องไม เก น 50 msv/y 150 msv 500 msv 500 msv 1 msv ในระยะท เหล อของการต งครรภ บ คคลท วไป (Public exposure) 1 msv/y 15 msv 50 msv --- Limit เหล าน ต งไว เพ อให ม นใจว าบ คคลจะไม ได ร บความเส ยงทางด านส ขภาพจากร งส หาก ปร มาณ Dose ท ได ร บไม เก นกว าค าท แนะน าไว ไม ม Limit ส าหร บผ ป วยท ใช ร งส บ าบ ดหร อว น จฉ ยทางการแพทย 144