Retrospektivní dozimetrie

Prezentace na téma: "Retrospektivní dozimetrie"— Transkript prezentace:

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

2 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)

3 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

4 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

5 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

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

7 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

8 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)

9 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.

10 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

11 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

12 Al2O3: Anomální fading Neodpovídá

13 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

14 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 × × 0.5 mm, MDD ~ 12 mGy pro OSL, ~ 81 mGy pro TL – hned po ozáření)

15 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

16 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

17 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%

18 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

19 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

20 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

21 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%

22 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

23 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

24 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

25 Dentální keramika: anomální fading
Neodpovídá

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

27 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)

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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% KIO mg/kg Výrobce: Saline Bad Reichenhall, Německo

33 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

34 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

35 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)

36 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

37 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

38 Beton: příklad rekonstrukce dávky
V SÚRO extrahovaný křemen ze vzorku betonu, velikost zrn < 100 μm Dx = 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

39 Děkuji za pozornost.