Retrospektivní dozimetrie 25.4.2012 Fakultní kolokvium FJFI Daniela Ekendahl Státní ústav radiační ochrany, v. v. i.

Retrospektivní dozimetrie Metody pro odhad dávek osob v souvislosti s aktuálně proběhlou závažnou radiologickou událostí nebo havárií Situace, kdy nejsou k dispozici výsledky klasické osobní dozimetrie nebo výsledky monitorování prostředí Situace, kdy nelze vyloučit možnost ozáření vysokými celotělovými dávkami (> 0.5 Gy)

Metody retrospektivní dozimetrie Fyzikální metody, resp. fyzikálně-chemické metody Biologické metody Výpočetní modely Luminiscenční metody (TL a OSL) Neutronová aktivace Elektronová paramagnetická rezonance Klinické příznaky a symptomy Cytogenetické metody Genetické metody Hematologické metody Monte Carlo – transportní kódy

Princip TL a OSL dozimetrie Termoluminiscence (TL) Opticky stimulovaná luminiscence (OSL) Elektrony Vodivostní pás Zakázaný pás Valenční pás Před ozářením ENERGETICKÉ STAVY V KRYSTALU Díry Ozáření IZ Výhřev nebo světlo Luminiscence ZC LC E - v důsledku předchozího ozáření měřeného objektu ZC – záchytné centrum, LC – luminiscenční centrum

Měřící systém TL a OSL v SÚRO Risø TL/OSL Model DA-20 Detekční systém světla Systémy pro tepelnou a optickou stimulaci luminiscence Ozařovač vzorků se 90Sr/90Y Ozařovač vzorků s 241Am PC se SW aplikacemi Příslušenství

Schéma měřícího systému Ozařovač Fotonásobič Detekční filtr IR diody Modré diody Emisní filtr Měřící pozice Topný článek Karusel pro vzorky Vzorek Beryliové okno

Způsoby optické stimulace Stimulace při konstantní intenzitě světla (CW) Stimulace při lineárně modulované intenzitě světla (LM) Stimulace Detekce Čas Režim CW Režim LM Al2O3:C Al2O3:C

Materiály pro retrospektivní luminiscenční dozimetrii Elektronické součástky nebo čipy z osobních, resp. přenosných, předmětů Biologické vzorky (zuby, fragmenty dentální keramiky, nehty) Chemikálie vyskytující se v domácnostech a na pracovištích (kuchyňská sůl, prášky na praní) Stavební materiály (cihly, střešní tašky, sanitární keramika)

Osobní předměty použitelné jako dozimetry Přenosná multimediální elektronická zařízení Karty s čipy Mobilní telefony USB flash disky MP3 přehrávače Bankovní karty Telefonní karty Princip: Elektronické součástky, resp. čipy, mohou obsahovat materiál, který po ozáření vykazuje luminiscenční vlastnosti, tj. OSL, resp. TL. Předměty nošené přímo na těle nebo v těsné blízkosti těla – analogie konceptu osobního dozimetru.

Elektronické součástky s keramickým materiálem Rezistory Další součástky (kondenzátory, rezonátory, tranzistory) Substrát z Al2O3 Snadno identifikovatelný materiál Substrát o různém složení – např. BeO, AlN, titaničitany vápníku nebo barya, baryumsilikátové sklo, křemen a oxidy barya Problém s identifikací materiálu vrchní strana spodní strana, odkud se měří

Al2O3: Souvislost TL a OSL signálu TL signál Vyhřívání: 5°C/s do 400°C OSL signál Stimulace CW, modré světlo, 20 mW/cm2 Vliv předehřevu na OSL signál Hlavní TL pík ~ 185°C ~ 20-25% OSL Nestabilní mělké elektronové pasti ~ 80°C ~ 75-80% OSL Stabilní hluboké elektronové pasti ~330°C ~ 0.5 % OSL

Al2O3: Anomální fading Neodpovídá

Al2O3: parametry OSL měření Předehřev 120°C po dobu 10 s (kompromis: fading – citlivost) CW-OSL modré světlo 20 mW/cm2 , při teplotě 90°C po dobu 40 s, záznam OSL signálu

Al2O3: Reprodukovatelnost, závislost odezvy na dávce, MDD Reprodukovatelnost měření pro 10 cyklů ozáření a měření TL a OSL (< 10%) Závislost OSL, resp. TL, odezvy na dávce lineární (min. do 30 Gy) Rekonstrukce dávky založena na opakovaném měření a ozařování vzorků Minimální detekovatelná dávka – liší se v závislosti na velikosti součástek (Bourns, Inc., rozměry 2 × 1.25 × 0.5 mm, MDD ~ 12 mGy pro OSL, ~ 81 mGy pro TL – hned po ozáření)

Al2O3: Mobilní telefon jako osobní dozimetr Ozáření ve svazku 137Cs: materiál MT (Nokia 3310) reprezentuje vrstvu ekvivalentní ≈ 1 cm tkáně. Fotonová energetická závislost mobilního telefonu Spektrum E (keV) RQR3 32 RQR8 50 N150 118 N250 208 Cs-137 663 Co-60 1250

EXPERIMENT Rekonstrukce osobní dávky pomocí MT Podmínky ozáření MT na fantomu Geometrie AP Cs-137 Ka = 1 Gy (ve středu MT) D(1cm tkáň) = 1,19 Gy

Rekonstrukce dávky pomocí NOKIA 3310 ozáření na fantomu, AP, Cs-137, Ka = 1 Gy 2 3 4 Rezistor D(Al2O3) (Gy) 1 0,95 2 0,85 3 1,15 4 0,88 průměr 0,96 Měření 22 hod po ozáření Korekční faktor pro fading: 1,76 Porovnání dávek (Gy) D(1cm tkáň)ref 1,19 D(1cm tkáň) = 1,13·D(Al2O3) 1,08 rozdíl -9%

Al2O3 z elektronických součástek Shrnutí Al2O3 vykazuje velmi dobrou reprodukovatelnost a lineární závislost odezvy na dávce – jednoduchá metoda rekonstrukce dávky Problémem je anomální fading vyžadující adekvátní korekci - důležitost znalosti doby ozáření Al2O3 má dozimetrické vlastnosti postačující potřebám havarijní dozimetrie Metoda je v praxi použitelná Metoda je dostatečně operativní (10 min/rezistor) Metoda může být výhodnější než biologická dozimetrie nebo výpočetní modely

Lidské zuby Zubní sklovina a dentin vykazují po ozáření a stimulaci luminiscenci. Signál je však slabý a nestabilní. Složení zubní skloviny: 96% hydroxyapatit (Ca5(PO4)3(OH)) Příměsi: K+, Mg2+, Na+, Cl-, HPO42- a CO32- Zanedbatelné množství organických látek Složení dentinu: 70% anorganické látky (hlavně hydroxyapatit ) 20% organické látky, 10% voda Stimulace luminiscence: Termální Optická – modré, zelené, infračervené světlo

Lidské zuby: zatím velmi omezené dozimetrické využití Předpoklady vedoucí k nejlepším výsledkům Problémy stimulace modrým světlem o co největší intenzitě odstranění organických částí ze skloviny rozemletí zubní skloviny na co nejmenší zrna použití tenkých vzorků s velkou plochou manipulace se vzorky v podmínkách temné komory použití individuální kalibrační křivky měření co nejdříve po ozáření nedostatečná citlivost materiálu ve spojení s omezenými možnostmi dostupné přístrojové techniky (měřitelné D ~ několik Gy) značná nestabilita OSL signálu za pokojové teploty, resp. za teploty lidského těla variabilita vzorků co se týče citlivosti a míry fadingu možnost naměření OSL signálu i v neozářených vzorcích není k dispozici univerzální vhodný analytický protokol pro rekonstrukci dávky

Lidské zuby: vlastní zkušenosti Nepotvrzeny optimistické výsledky některých publikací. Dozimetricky použitelné vzorky jako níže uvedený příklad byly nacházeny velmi sporadicky. Dentin v práškové formě Stimulace modrým světlem: CW-OSL, 50 mW/cm2, 40 s, T = 30°C Reprodukovatelnost měření : < 5%

Dentální keramika pro retrospektivní dozimetrii Keramické materiály pro výrobu zubních náhrad nebo pro opravu zubů mohou vykazovat radiačně indukované luminiscenční vlastnosti: Typ materiálu Použití ve stomatologii Zkoumaná forma Živcová keramika Vnější vrstvy zubu – korunky, fazety, výplně Pevné fragmenty, prášek Sklokeramika Sklo-leucitová keramika Cementy Provizorní výplně Pevné fragmenty Al2O3 Vnitřní konstrukce zubu ZrO2

Dentální keramika: zkoumané vzorky Vnitřní konstrukce („kapnička“) Vnější vrstva Složení: ZrO2 Sklo-leucitová keramika IPS e.max Ceram (Ivoclar Vivadent AG) Složení: SiO2 (60-65%) Al2O3 (8-12%) Na2O (6-9%) K2O (6-8%) ZnO (2-3%) CaO, P2O5, F (2-6%) Barviva (1%) Vzorky vyrobené v zubní laboratoři, rozměry 5 × 5 × 1 mm3

Dentální keramika: Souvislost TL a OSL signálu TL signál Vyhřívání: 5°C/s do 400°C OSL signál Stimulace CW, modré světlo, 20 mW/cm2 Vliv osvětlení na TL signál Vliv předehřevu na OSL signál TL píky ~ 100, 170, 280°C

Dentální keramika: anomální fading Neodpovídá

Dentální keramika: optický fading Laboratorní osvětlení: zářivky ~ 0.05 mW/cm2

Dentální keramika: parametry měření Předehřev 150°C po dobu 10 s (kompromis: fading – citlivost) CW-OSL modré světlo 20 mW/cm2 po dobu 60 s, záznam OSL signálu TL při vyhřívání 5°C/s do 450°C, záznam TL signálu – využití píku ~280°C)

Dentální keramika: Reprodukovatelnost, závislost odezvy na dávce, pozadí, MDD Reprodukovatelnost měření TL a OSL (< 5%) Závislost OSL a TL signálu na dávce lineární (0.05 – 20 Gy) Pozadí ~ 15 mGy pro OSL, ~ 11 mGy pro TL (měření hned po ozáření) MDD: 9 mGy pro OSL, 10 mGy pro TL (měření hned po ozáření) Rekonstrukce dávky založena na opakovaném měření a ozařování vzorků

Dentální keramika: Fotonová energetická závislost Vzorky pod vrstvou 1 cm polystyrenu Spektrum E (keV) RQR3 32 RQR8 50 N150 118 N250 208 Cs-137 663 Co-60 1250

Sklo-leucitová dentální keramika Shrnutí Sklo-leucitová dentální keramika vykazuje velmi dobrou reprodukovatelnost a lineární závislost odezvy na dávce – jednoduchá metoda rekonstrukce dávky Lze současně využít TL a OSL měření Problémem je fading vyžadující adekvátní korekci, důležitost znalosti doby ozáření Materiál se nachází uvnitř lidského těla Z hlediska odběru vzorku je nutné řešit optický fading Materiál má dozimetrické vlastnosti postačující potřebám havarijní dozimetrie Metoda je v praxi použitelná Metoda je dostatečně operativní (20 min/vzorek – současně OSL i TL) Metoda může být výhodnější než biologická dozimetrie nebo výpočetní modely

Kuchyňská sůl: luminiscenční dozimetr Luminiscence NaCl v důsledku ozáření: λ ~ 300 nm (UV emise) Způsoby stimulace: Optická (CW nebo LM) Modré, resp. zelené, světlo (420 – 560 nm) IR světlo (880 nm) Termální

NaCl: zkoumané vzorky NaCl min. 98,5% CaCO3 min. 0,9% MgCO3 min. 0,2% Alpská sůl s jodem NaCl min. 98,5% CaCO3 min. 0,9% MgCO3 min. 0,2% KIO3 33-58 mg/kg Výrobce: Saline Bad Reichenhall, Německo

Souvislost mezi TL a OSL signálem Nízkoteplotní pík – mělké nestabilní elektronové pasti Vzorek: 5 mg D = 1 Gy Hlavní dozimetrický pík (~ 290°C) – zdroj OSL

NaCl: Protokol SAR „Single – Aliquot Regenerative Dose“ Opakované použití vzorků v rámci cyklů (není třeba velké množství vzorků) Optimální parametry měření v rámci i-tého cyklu protokolu SAR Záznam Li/Ti (monitor změn citlivosti) Konstrukce funkce: závislost Li/Ti na dávce Aplikace regenerativní dávky Di Předehřev při teplotě 200°C po dobu 10 s Měření odezvy LM- OSL při teplotě 120°C po dobu 20 s, záznam odezvy Li Aplikace testovací dávky Měření odezvy LM- OSL při teplotě 120°C po dobu 20 s, záznam odezvy Ti

NaCl: příklad rekonstrukce dávky Parametry v rámci SAR Počet cyklů měření 9 Dx , dávka ke stanovení (Gy) 3.5 Regenerativní dávky (Gy) 0, 1, 0, 2, 3, 4, 6, 8, 1 Testovací dávka (Gy) 0.6 L0/T0 Li/Ti Dx = 3.92 Gy D (Gy)

NaCl: Reprodukovatelnost, závislost odezvy na dávce, MDD, fading Velmi citlivý materiál Minimální detekovatelná dávka pro vzorek 5 mg ~ 0.4 mGy Při opakovaném měření dochází ke změnám citlivosti - lze korigovat v rámci SAR Závislost OSL signálu na dávce supralineární – sublineární Fading <5% během 4 týdnů

Stavební materiály obsahující křemen nebo živec Využitelné předměty: cihly, beton, dlažba, střešní tašky, sanitární keramika, písek Laboratorní příprava: extrakce minerálu ze vzorku Nevýhoda: možná velká přírodní dávka v závislosti na stáří materiálu Stanovení dávky – zavedené metody (datování) založené na využití protokolu SAR

Beton: příklad rekonstrukce dávky V SÚRO extrahovaný křemen ze vzorku betonu, velikost zrn < 100 μm Dx = 4.432 Gy Parametry v rámci SAR Počet cyklů měření 5 Dx , dávka ke stanovení (Gy) 4.5 Regenerativní dávky (Gy) 0, 2.5, 5, 7.5, 2.5 Testovací dávka (Gy) 0.5

Děkuji za pozornost.