Onderdeel van het college Kernenergie Tjeerd Ketel, 4 mei

Straling
Onderdeel
van het college
Kernenergie
Tjeerd Ketel, 4 mei 2010
In 1946 ontworpen
door Cyrill Orly
van Berkeley
(Radiation Lab)
Nevelkamer met
radioactiviteit,
in dit geval geladen deeltjes
vanuit het centrum
Rechts onder:
Nieuw stralingssymbool van IAEA
en ISO
Doordringend vermogen
•
Afremmen met energieverlies
bepaalt een dracht R:
lucht
Ralf a (E)
lucht
Rbeta (E)
•
≈ 1 cm
≈ 100 cm
Kans P op interactie via
Compton- of foto-effect
bepaalt een absorptielengte L:
lucht
Pgamma (E)
4
=1−e
−d/L
L ≈ 1000 cm
Dracht en energie
5
Absorptieconstante
−1
µ=L en energie
6
Radioactiviteit
• Kinetische energie E van het deeltje dat
wordt uitgezonden in het verval wordt
bepaalt door massaverschil begin- en
eindkern en massa van het deeltje m.
• Tijdstip t van het verval wordt gegeven
door het kansproces van tunnelen door
een barriere met een hoogte (energie) en
een breedte (afstand).
7
Vervalsconstante
A(t) = λN (t)
• Activiteit A(t) is aantal vervallende kernen
per tijdseenheid.
• N(t) is aantal kernen dat kan vervallen.
• λ is de vervalskans van de kern per
tijdseenheid en is tijdsonafhankelijk.
8
Eenheden activiteit
• becquerel (Bq)
• aantal vervallen per seconde
• curie (Ci)
• 1 Ci = 3,7 x 10 Bq
• Equivalent van 1 g zuiver Ra met
10
226
τ = 1/λ = 1580 jaar
9
Halveringstijd
• Na de halveringstijd T
1/2
is de activiteit
gehalveerd.
• Eigen werk. Laat zien:
−λt
• 1 N (t) = N (0) e
• 2 T1/2 = ln 2/λ = 0, 693/λ
• 3 1 Ci = 3,7 x 10 Bq
10
10
Beta-verval en
elektronvangst
11
Z↑
β
M (Z, N ) > M (Z + 1, N − 1)
→N
A(Z, N ) → A(Z + 1, N − 1) + β + ν̄e
12
−
+
β
M (Z, N ) > M (Z − 1, N + 1) + 2me
A(Z, N ) → A(Z − 1, N + 1) + β + νe
+
13
EC
M (Z, N ) > M (Z − 1, N + 1)
A(Z, N ) + ebaan → A(Z − 1, N + 1) + νe + egat
14
α
M (Z, N ) > M (Z − 2, N − 2) + mα
A(Z, N ) → A(Z − 2, N − 2) + α
15
Rekenvoorbeeld
Fusie in de zon begint met
1
H + 1 H → 2 H +β + + νe
De Q-waarde volgt uit
m(1 H) = 1, 007825 u en m(2 H) = 2, 014102 u,
2
1
1
2
2
Q1 = ∆m c = (m( H) + m( H) − m( H) − me − mβ )c =
2 × 1, 007825 − 2, 014102 − 2 × 0, 000549 = 0, 000450 u c2 =
0, 42 MeV
De energie die vrijkomt is
U2H = Q1 + Qann = 0, 42 + 1, 022 = 1, 442 MeV
16
Eenheden dosis
• gray (Gy)
−1
• geabsorbeerde energie per gewicht in J kg
• rad (rad)
−1
• energie per gewicht in 100 erg g
−2
−2
4
−2
−2
• 1 Gy = 1 m s = 10 cm s = 100 rad
• exposie in röntgen (R)
gamma's voor ionisatielading van 1 esu
• aantal
cm−3 (=2,58 104 C kg−1) in lucht
• 1 R = 0,878 rad
17
Effectieve dosis
equivalente (RBE) waarde,
• Radiobiologisch
weegfactor w, of kwaliteitsfactor QF
RBE = 1
RBE = 5
RBE = 20
gamma
proton
> 2 MeV
alfa
elektron, muon
neutron
<0,01 MeV
neutron
(0,1 - 2 MeV)
• sievert (Sv)
• als dosis D = 1 Gy, dan eff. dosis H = RBE Sv
• rad equivalent voor een mens (rem)
• als dosis D = 1 rad, dan eff. dosis H = RBE rem
18
Rekenvoorbeeld
•
Een A = 106 Bq bron met 100 keV gammastraling
staat op 1 m afstand van een persoon (70 kg).
Ongeveer 10% van de straling treft het lichaam en
wordt volledig geabsorbeerd.
Bereken de dosis gedurende een uur.
•
Energie per uur = 0,10 3600 A 105 [eV]1,6 10−19
[ J/eV]= 2,25 10−6 J verdeeld over het totale
lichaamsgewicht.
•
De dosis in een uur is:
2,25/70 10−6 J/kg = 0,032 μSv (met RBE=1)
19
Gemiddelde stralingsdoses
Bron
Omgeving *
Medisch
Voedsel
Kosmische straling
Beroep
Fall-out
Overig klein
Jaarlijkse dosis (μSv)
1650
370
300
260
8
5
0,4
* Radon, kalium en thorium bijdragen
kunnen lokaal veel groter zijn
20
21
22
Effecten lichaamsdelen
23
Effecten gehele lichaam
24
Bestuderen
• Andrews en Jelley
• 8.4.7 "Radiation shielding"
• Giancoli
• 43-5 to 43-9 Straling en toepassingen
• Deze presentatie (op website nikhef/
~tjeerd)
• Vaardigheid: Berekenen van stralingsdoses
25
Werken met bronnen
• Eet niet en rook niet in een radiologisch
laboratorium
• Was je handen nadat je met radioactieve
bronnen in contact geweest bent.
• Draag je dosimeter of filmbadge.
• Wees voorzichtig met bronnen en bewaar
ze in een daarvoor bestemde ruimte.
26
Afscherming
• γ : Lood (Pb), materiaal met hoge Z.
• e : Plastic of aluminium (lage Z), tegen
-
remstraling van e-, en extra laag Pb tegen
de γ’s.
• e+: Lood (Pb) tegen 511 keV annihilatie γ’s.
• andere geladen deeltjes: materiaal met hoge
dichtheid.
• neutronen: moderator met hoge (n, γ)
doorsnede. Daar omheen hoge Z tegen γ’s.
27
Samenvatting eenheden
• Activiteit van radioactieve bronnen
•
•
1 becquerel (Bq) = 1 s-1
•
•
1 gray (Gy) = 1 J kg-1
1 curie (Ci) = 3,70 1010 s-1 (1 g radium)
• Dosis geabsorbeerd in materiaal
1 rad (rad) = 100 erg g-1 = 100 g cm2s-2 g-1
•
1 röntgen (R) = 0,878 rad = 0,878 10-2 Gy
•
•
1 sievert = RBE Gy
1 rem = RBE rad
• Effectieve dosis voor biologisch materiaal
28
(RBE = 1 - 20)
Excursie naar reactor in Delft
Vrijdag 7 mei:
Station A'dam-Zuid 9:12 uur
Station Delft
10.08
29
Röntgenafbeelding
30
Röntgenarts
rond 1900
31
“Laboratorium” van
Marie Curie
32