Fysische grondslagen van radioprotectie

Fysische grondslagen van
radioprotectie
Voorwoord........................................................................................................................ 3
1. Inleiding........................................................................................................................ 4
2. Straling ......................................................................................................................... 7
2.1. Bouw van de materie .......................................................................................... 7
2.2. Straling .................................................................................................................. 8
2.2.1. Inleiding.......................................................................................................... 8
2.2.2. Elektromagnetische straling ...................................................................... 9
2.2.3. Deeltjesstraling........................................................................................... 11
2.2.4. Ioniserende straling................................................................................... 12
2.2.5. Intensiteit en kwadratenwet ..................................................................... 14
2.3. Radioactiviteit en vervalprocessen ............................................................... 15
2.3.1. Inleiding........................................................................................................ 15
2.3.2. Stralingssoorten......................................................................................... 17
2.3.3. Radioactief verval....................................................................................... 21
2.3.4. Activiteit ....................................................................................................... 24
3. Wisselwerking tussen straling en materie .......................................................... 27
3.1. Verzwakking van elektromagnetische straling ........................................... 28
3.2. Wisselwerking van geladen deeltjes met materie ...................................... 32
3.3. Wisselwerking fotonen en materie ................................................................ 35
3.3.1. Coherente verstrooiing ............................................................................. 35
3.3.2. Foto-elektrische absorptie ....................................................................... 36
3.3.3. Compton effect ........................................................................................... 37
3.3.4. Paarvorming ................................................................................................ 38
3.3.5. Combinatie van wisselwerkingen ........................................................... 39
4. Stralingseenheden en grootheden ....................................................................... 43
4.1. Stralingsenergie ................................................................................................ 44
4.2. Radioactiviteit .................................................................................................... 45
4.3. Geabsorbeerde dosis ....................................................................................... 46
4.4. Dosisequivalent ................................................................................................. 46
4.5. Effectieve dosis ................................................................................................. 48
5. Stralingsbescherming algemeen .......................................................................... 52
6. Bibliografie ................................................................................................................ 56
2
Voorwoord
De bedoeling van deze cursus ‘Fysische grondslagen radioprotectie’ is om enkele begrippen
en verschijnselen uit de stralingsfysica te beschrijven, die noodzakelijk zijn om de
stralingsbescherming te begrijpen. De stralingsfysica is het vakgebied dat zich bezighoudt
met de fysische aspecten van zowel straling als radioactiviteit. Begrip van de waargenomen
verschijnselen bij toepassing van straling en de kwantificering van de stralingsdosis zijn
essentiële voorwaarden gebleken voor een verantwoord gebruik.
Het inleidend hoofdstuk is een herhaling van enkele begrippen uit de chemie en fysica uit het
secundair onderwijs. Dit hoofdstuk behoort niet tot de leerstof maar dient eerder ter
opfrissing. Het tweede hoofdstuk geeft een beschrijving van de belangrijke begrippen straling
en radioactiviteit. De processen die optreden bij de interactie tussen straling en materie
komen in hoofdstuk 3 uitgebreid aan de orde. Deze processen vormen de basis voor zowel de
afbeeldingstechnieken met röntgenstraling als de dosisberekening in patiënten. Het laatste
hoofdstuk is een overzicht van de gebruikte grootheden en eenheden in de stralingsfysica en
stralingsbescherming. Het is belangrijk dat naast deze eenheden ook de grootte ordes van
deze eenheden verduidelijkt worden, maw dat men kennis heeft van ‘Wat is veel activiteit’ of
‘Wat is een aanvaardbare dosis’.
De definities die in een grijze kader staan, zijn letterlijk overgenomen uit het KB van 20 juli
2001. De cursief kleiner gedrukte tekst is een aanvulling op de leerstof die echter toch
interessant en leerrijk kan zijn.
3
1. Inleiding
Er zijn vele miljoenen stoffen en elke stof heeft zijn eigen kenmerkende chemische
eigenschappen. Elke stof is opgebouwd uit minuscuul kleine bouwstenen die moleculen
worden genoemd. Alle moleculen zijn opgebouwd uit een beperkt aantal basisstoffen, de
zogenaamde atomen of elementen (> Grieks a-tomos en betekent ondeelbaar, men ging er vanuit dat dit
de kleinst mogelijke deeltjes waren, later is gebleken dat deze opgebouwd zijn uit een aantal elementaire
deeltjes, zie verder). Deze zijn microscopisch klein, om een voorbeeld te geven: beschouw een
stalen kogeltje met een diameter van slechts 0.3 millimeter, deze bevat 1018 (miljoen maal
miljoen maal miljoen) ijzeratomen. (indien een persoon drie atomen per seconde telt en dag en nacht
zonder stoppen zou tellen dan zou hij in één jaar 108 atomen tellen, om alle atomen te tellen in het nietige
bolletje is 1010 (tien miljard) jaar nodig, een tijd langer dan de ouderdom van ons zonnestelsel)
Men kent 106 verschillende atoomsoorten (92 natuurlijke elementen en 14 kunstmatige
elementen). Deze atoomsoorten worden voorgesteld door een symbool, dit is de verkorte
schrijfwijze voor de naam van dit element. (vb. H voor waterstof, Tc voor technetium, Ir voor
iridium) Ieder atoom is onderscheidbaar van de andere door fysische en chemische eigenschappen.
Een atoom bestaat uit een kern waarrond een aantal elektronen bewegen. De kern kan twee
soorten elementaire deeltjes bevatten n.l. protonen en neutronen. De massa van een proton
en van een neutron is praktisch gelijk, deze wordt
ook de atomaire massa-eenheid (afgekort amu =
1.67377*10-27 kg) genoemd, die van een elektron is
hiermee te verwaarlozen. Een elektron is elektrisch
negatief geladen, een proton positief en een neutron
is elektrisch neutraal. De elektrische lading van een
elektron en de lading van een proton zijn in grootte
gelijk, deze lading wordt als eenheid genomen (e =
Figuur 1.1: Samenstelling van
de atoomkern
1.6022*10-19 C). Daar een atoom in normale
toestand elektrisch neutraal is, geldt: aantal
elektronen = aantal protonen.
4
Rustmassaa
Ladingb
Proton(p)
1.0072765
+1
Elektron(e-,β-)
0.0005486
-1
Positron
0.0005486
+1
Neutron
1.0086650
0
Foton
0
0
Deeltje
Tabel 1.1: massa en lading van elementaire deeltjes
a
a
b
b
12
in amu ( C = 12.00000)
in eenheid van elementaire lading
Hoeveel protonen in de kern voorkomen wordt aangegeven door het zogenaamde
atoomnummer. Het atoomnummer is kenmerkend voor een atoomsoort. (vb.
atoomnummer 8 is O-atoom,…). Het aantal elementaire deeltjes dat de kern in totaal
telt (protonen + neutronen) wordt aangegeven door het massagetal.
Figuur 1.2: schematische voorstelling van de
samenstelling van een atoom
Beide gegevens worden als volgt aangeduid:
Massagetal
Atoomnummer
Symbool
A
Z
X
bvb:
56
26
Fe
De elektronen rond de kern vormen de elektronenmantel. Wanneer meerdere elektronen zich
rond de kern bewegen, bestrijken ze ieder een welbepaald
gedeelte van deze elektronenmantel. Deze beperkte gebieden
van de elektronenmantel heet men orbitalen. In een bepaalde
orbitaal bewegen zich hoogstens twee elektronen.
Elektronen hebben ook een beweging om hun eigen as. Men noemt dit de
Figuur 1.3: elektronenbanen
spin van het elektron.
rond een atoomkern
5
Alle elektronen hebben niet dezelfde energie, deze is groter naargelang de orbitaal zich verder
uitstrekt van de kern weg. Men zegt dat alle elektronen met dezelfde energie, tot dezelfde
schil (of hetzelfde energieniveau) behoren. De mogelijke energieniveaus of schillen waartoe
een elektron kan behoren, worden aangeduid door de letters K, L, M, N, O, P, Q te tellen
vanaf de kern. Deze schilstructuur van de elektronen betekent eigenlijk dat de elektronen
slechts op welbepaalde afstanden tot de kern bewegen, dus niet op een willekeurige afstand.
De totale energie van een elektron wordt dus bepaald door de schil waarop dit elektron zich
bevindt. Hierom zijn de begrippen schil en energieniveau als synoniem te beschouwen. De
energiewaarde van een elektron neemt toe naarmate de schil waarop het zich bevindt verder
verwijderd is van de atoomkern. Hoe de elektronen van een atoom over de verschillende
schillen verdeeld zijn, is de elektronenconfiguratie van dit atoom. Het principe ‘een systeem
streeft naar minimale energie’ dat algemeen in alle natuurwetenschappen geldt, laat
voorzien dat de opvulling van de schillen steeds van binnen naar buiten plaats grijpt.
Van een atoomsoort kunnen meerdere vormen bestaan: alle met dezelfde kernlading
(hetzelfde aantal protonen) maar met een verschillend massagetal (verschillend aantal
neutronen). Dergelijke atoomsoorten noemt men isotopen. Om te specificeren van welk
isotoop er sprake is, duidt men het massagetal aan, vb 192Ir, 99Tc. Isotopen kunnen kunstmatig
gemaakt worden, men noemt ze dikwijls radio-isotopen omwille van hun onstabiliteit en
daarmee gepaard gaande straling.
6
2. Straling
2.1. Bouw van de materie
De bouw van atomen is te beschrijven met het eenvoudige model van de fysicus Rutherford.
Hierbij wordt het atoom vergeleken met een zonnestelsel. Om het centrale deel, de kern van
het atoom, cirkelen zeer kleine deeltjes, de elektronen. Meer dan 99.9% van de massa van
het atoom is in de kern geconcentreerd.
De kern (of nucleus) bestaat uit twee typen elementaire
deeltjes of nucleonen: protonen en neutronen. Het proton
heeft een positieve lading en het neutron is elektrisch neutraal
en heeft een massa die ongeveer gelijk is aan die van een
proton.
De chemische aard van een atoom wordt bepaald door het
aantal protonen in de kern. Het aantal protonen in de kern
wordt het atoomnummer van het element genoemd. Het
Figuur 2.1: atoomstructuur
aantal nucleonen in de kern wordt het massagetal genoemd.
Wanneer X een symbool is dat een bepaald chemisch element voorstelt, is ZA X de verkorte
notatie voor een kernsoort, ook wel nuclide genoemd, met atoomnummer Z en massagetal A.
Omdat door het symbool van het element impliciet ook het atoomnummer vastligt, wordt dit
in de symbolische notatie vaak weggelaten.
Voor alle atomen van hetzelfde element is het aantal protonen in een kern steeds hetzelfde,
maar het aantal neutronen is niet gelijk. Er blijken onderling verschillende atomen van
dezelfde atoomsoort te bestaan. Het atoomnummer Z is gelijk, maar het massagetal A is
verschillend. Deze atoomsoorten worden isotopen van elkaar genoemd. (> Grieks iso = gelijk,
topos = plaats, omdat isotopen op dezelfde plaats staan in het periodiek systeem der elementen)
In het eenvoudige atoommodel van Rutherford wordt verondersteld dat de elektronen zich
bewegen rond de atoomkern. De fysicus Bohr verbeterde dit model door aan de elektronen
slechts zeer bepaalde banen toe te kennen, waarin zij zich bewegen. Deze elektronenbanen
7
zijn op een systematische wijze gegroepeerd. Een dergelijke groep van elektronenbanen
wordt een elektronenschil genoemd. Het maximaal aantal mogelijke elektronenbanen per
schil ligt systematisch vast.
Figuur 2.2: voorstelling van het atoommodel van Rutherford en Bohr
In een bepaalde elektronenbaan heeft een elektron een zekere potentiële (en kinetische)
energie. De toestand van maximale stabiliteit is bij minimale onderlinge potentiële energie.
Dit wordt de energetische grondtoestand genoemd. Vermits de elektronen slechts in bepaalde
banen kunnen bewegen, kan een atoom niet alle willekeurige energietoestanden tussen nul en
maximaal innemen. Een atoom kan slechts in discrete (niet continu) energieniveaus verkeren.
2.2. Straling
2.2.1. Inleiding
In het algemeen verstaat men onder straling elke overdracht van energie vanuit een bron naar
de omgeving zonder dat hiervoor een medium nodig is. Deze overdracht kan de vorm van
golven of van een deeltjesstroom aannemen. Voorbeelden van straling in de vorm van golven
zijn radiogolven, licht, röntgenstraling, warmtestraling. Voorbeelden van straling in de vorm
van deeltjes zijnen β- deeltjes uit radioactieve stoffen, bundels elektronen of protonen uit
deeltjesversnellers. Deeltjesstraling wordt ook wel corpusculaire straling genoemd.
8
De belangrijkste onderverdelingen in soorten straling is die van elektromagnetische straling
versus deeltjesstraling en van ioniserende straling versus niet-ioniserende straling.
Straling
Elektromagnetisch
Deeltjes
Niet ioniserend
Radiogolven
Komt nauwelijks voor
Warmtestraling
licht
Ioniserend
Röntgenstraling
straling
straling
β –straling
elektronen
protonen
neutronen
Tabel 2.1: onderverdeling van de verschillende soorten straling
2.2.2. Elektromagnetische straling
Elektromagnetische straling is een vorm van energietransport die ontstaat wanneer een
elektrische lading wordt versneld. Hierbij treedt een zich in de ruimte uitbreidende
combinatie van een elektrisch en een magnetisch veld op waaraan onder meer een
golfkarakter kan worden toegekend. De genoemde velden veranderen sinusvormig in de tijd
met een bepaalde frequentie, het aantal trillingen per seconde. Bij een golfbeweging hoort
Figuur 2.3: de loodrecht op elkaar staande componenten van een EM-golf
ook een golflengte, dit is de lengte van één volledige golfbeweging. Er zijn verschillende
soorten elektromagnetische straling. Het onderscheid tussen deze stralingssoorten berust
uitsluitend op de frequentieverschillen.
9
In het begin van de twintigste eeuw werd een aantal fysische experimenten uitgevoerd waaruit
naar voren kwam dat het beeld van een zich in de ruimte voortplantende EM-golf niet in alle
situaties een goede beschrijving van de waarnemingen toelaat. Dit is vooral het geval
wanneer de frequentie van de straling hoog is. Hieruit is een beschrijving van EM-straling tot
ontwikkeling gekomen waarbij straling wordt opgevat als opgebouwd uit een aantal discrete
verstoringen in de ruimte, elk met een eigen energie E, die zich in de ruimte voortplanten.
Een dergelijke verstoring heeft de naam foton gekregen. Wanneer een groot aantal fotonen
tezamen in dezelfde richting lopen is de totale werking hiervan op te vatten als een
golfbeweging. Een foton heeft een rustmassa gelijk aan nul. De bijbehorende frequentie
blijkt in dat geval samen te hangen met de energie van het foton volgens: E foton = hf . Hierin
is h de constante van Planck. ( h = 6.6 10-34 Js). Het verband tussen de golflengte λ en de
frequentie f gegeven wordt door: λ.v = c = 3. 108 m/s waarbij c de lichtsnelheid is. Hieruit volgt
dat E foton = h.f = h.c/ λ
Hoge Energie
Korte golflengte
Lage Energie
Lange golflengte
Figuur 2.4: overzicht van het elektromagnetisch spectrum
Straling kan worden gespecificeerd door het aangeven van de golflengte, uitgedrukt in
bijvoorbeeld de Angström (1 Å = 10-10 m) of de nanometer (1 nm = 10-9 m). De relaties tussen
de golflengte, frequentie en energie van de golfbeweging, houdt in dat EM-straling tevens kan
worden gekarakteriseerd door het aangeven van de energie van de bijbehorende fotonen.
10
2.2.3. Deeltjesstraling
De belangrijkste typen van deeltjesstraling zijn alfa- (α),beta- (β), neutronen- en
protonenstraling.
-straling bestaat uit heliumkernen van twee protonen en twee neutronen 24 He . Dit deeltje
heeft een massa van vier keer de amu (atomaire massa-eenheid) en de elektrische lading is
tweewaardig positief. Deze deeltjes hebben als gevolg van hun relatief grote massa en hun
tweewaardige elektrische lading een groot ioniserend vermogen.De doordringdiepte in
materie is echter gering, zoals zal blijken bij de beschrijving van de wisselwerkingsprocessen
tussen straling en materie. Wanneer dedeeltjes hun kinetische energie nagenoeg verloren
hebben, zullen zij elk twee vrije elektronen aan zich binden en verder voortbestaan als
heliumatomen.
β-straling bestaat uit zeer snelle elektronen of positronen. Positronen zijn deeltjes gelijk aan
elektronen, alleen de elektrische lading van positronen is eenwaardig positief.
Elektronenstraling heeft afhankelijk van de energie in lucht een dracht van enkele centimeters
tot vele meters, in weefsels van enkele millimeters tot enkele centimeters. In tegenstelling tot
de negatief geladen elektronen hebben de positief geladen positronen een levensduur van
slechts enkele milliseconden. Het positron zal in combinatie met een elektron verdwijnen,
waarbij de twee deeltjes worden omgezet in annihilatiestraling (zie verder).
Neutronenstraling bestaat uit vrije neutronen die onder andere gevormd kunnen worden bij
kernsplijtingreacties. De levensduur van vrije neutronen is beperkt omdat zij uiteenvallen in
een elektron en een proton. Omdat het gedrag van neutronen sterk wisselt met de energie,
worden de neutronen onderverdeeld in snelle neutronen, intermediaire neutronen en langzame
neutronen.
Figuur 2.6: het doordringvermogen van enkele stralingssoorten
11
Protonenstraling bestaat uit éénwaardig positief geladen deeltjes met een massa van één
atomaire atoomeenheid.Protonen zijn identiek met de kern van het waterstofatoom.
Protonenstraling wordt onder meer gevormd door versnelling van waterstofionen of bij
botsing van neutronen in waterstofrijke materialen. Wanneer de protonen hun kinetische
energie nagenoeg verloren hebben, zullen zij een vrij elektron aan zich binden en verder
voortbestaan als waterstofatomen.
2.2.4. Ioniserende straling
Ioniserende straling is gedefinieerd als straling (elektromagnetisch of deeltjes) die in staat is
ionen te vormen in materie waar ze op valt. Dat wil zeggen dat de straling genoeg energie
overdraagt om één of meer elektronen los te maken uit de atomen waaruit de materie bestaat.
Het atoom, dat gewoonlijk elektrisch neutraal is, wordt zo omgevormd in een positief geladen
ion en één of meer negatief geladen elektronen. Omdat moleculen meestal bestaan uit
elektrisch aan elkaar gebonden atomen, is het dus mogelijk dat door ionisatie de bindingen
tussen de atomen verbroken raken of anders worden gerangschikt. Door de inwerking van
ioniserende straling ontstaan dus chemische veranderingen. In levend weefsel uit zich dat in
biologische veranderingen.
Ioniserende straling: straling samengesteld uit fotonen of deeltjes welke in staat zijn direct of indirect de
vorming van ionen te veroorzaken; zij omvat in elk geval energietransport in de vorm van deeltjes of
elektromagnetische golven met een golflengte van 100 nanometer of minder, of met een frequentie van 3 1015
hertz of meer, waardoor er rechtstreeks of onrechtstreeks ionisatie kan optreden.
In de volksmond wordt de ioniserende straling die door radioactieve stoffen wordt
uitgezonden meestal ’radioactieve straling’ genoemd. Hoewel deze term direct duidelijk
maakt wat voor soort straling er wordt bedoeld, is zij fysisch incorrect: de straling zelf is niet
radioactief, maar wordt uitgezonden bij radioactief verval.
Tot de groep van ioniserende straling behoren onder andere de röntgen- enstraling De
frequentiegebieden van deze straling zijn overlappend. De verschillen berusten op verschillende wijze van
fysische oorsprong.
12
De-straling ontstaat binnen atoomkernen wanneer deze van een aangeslagen (hogere)
energietoestand terugvallen naar lagere energietoestanden. Dergelijke aangeslagen
atoomkernen kunnen ontstaan als gevolg van radioactieve vervalprocessen (zie verder) of als
gevolg van kernsplijting. Een kern in aangeslagen energietoestand zendt het teveel aan
energie uit in de vorm van elektromagnetische straling, destraling
Röntgenstraling ontstaat bij interactie tussen energierijke elektronen en atomen.
Röntgenstraling kan worden opgewekt in een röntgenbuis. Een röntgenbuis bestaat uit een
vacuüm getrokken glazen omhulsel met daarin geplaatst twee elektroden: de door een
gloeispiraal verhitte kathode, en de anode, een op enige afstand van de kathode geplaatste
metalen plaat.
De kathode is bedekt met een laag wolfraam. Bij dit materiaal hebben de elektronen in de
buitenste atoomschil een betrekkelijk lage (binding)energie. De thermische energie die door
het verhitten van de gloeidraad aan deze elektronen wordt overgedragen stelt deze elektronen
in staat zich los te maken. Wordt nu de anode met een externe spanningsbron op een hoge
(positieve) potentiaal of spanning ten opzichte van de kathode gebracht, dan zullen de
vrijgemaakte elektronen naar de anode worden toegetrokken. Door het opvoeren van de
anodespanning kan de snelheid van de elektronen die de anode bombarderen steeds verder
worden opgevoerd. Bij deze botsingen van de elektronen met het anodemateriaal van de
röntgenbuis ontstaat röntgenstraling. Dit gebeurt op twee manieren: door wisselwerkingen
van de snelle elektronen met de elektronen van het anodemateriaal, waarbij karakteristieke
straling ontstaat, en door wisselwerkingen in het veld van de kernen van het anodemateriaal,
waarbij remstraling ontstaat (zie hoofdstuk 3.2).
Figuur 2.7: het principe van een röntgenbuis
13
2.2.5. Intensiteit en kwadratenwet
Als maat voor de grootte van het energietransport samenhangend met straling wordt de
intensiteit I van de straling gebruikt. Dit is de energie in de stralenbundel die per seconde
een eenheid van oppervlakte passeert. Uit de gegeven definitie voor de intensiteit volgt direct
een zeer belangrijke wetmatigheid. Beschouw hiertoe een bron en de intensiteit I als gevolg
hiervan op een afstand R. Wanneer de afstand R ten opzichte van de afmetingen van de bron
groot is, mag de bron als een puntbron worden opgevat, waarbij de energie in alle richtingen
uniform wordt uitgestraald. Het totale vermogen P (= de energie,E, die in een bepaald
tijdsinterval,t, wordt geproduceerd) dat door de bron wordt uitgezonden, wordt op een
afstand R ‘uitgesmeerd’ over een bolschil met als oppervlakte 4πR2. De intensiteit ter plaatse
is gelijk aan:
I
P
4R 2
Hieruit blijkt dat de intensiteit omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand tot de
(punt)bron. Deze relatie staat bekend als de kwadratenwet. Deze wet is zeer algemeen
geldig voor alle stralingsbronnen (ook voor geluid) en is van groot belang in medische
toepassingen van straling. Men kan namelijk zowel de gewenste als de ongewenste effecten
van straling ingrijpend beïnvloeden door de afstand tot de bron te manipuleren. Door twee
keer zo dicht bij een bron te gaan staan loopt men een vier keer zo hoge dosis op.
Door een fotografische film 5% verder weg te plaatsen moet men 10,25% langer belichten om
dezelfde intensiteit op de film te verkrijgen.
In figuur 2.5 zien we dat op een afstand B, die dubbel zo groot is als de afstand A, de
intensiteit I2 gelijk is aan viermaal de intensiteit I1 op een afstand A.
Figuur 2.5: voorstelling van de kwadratenwet,
I2 is viermaal I1
14
2.3. Radioactiviteit en vervalprocessen
2.3.1. Inleiding
Een stof is radioactief wanneer deze stof ioniserende straling uitzendt. Deze straling komt
vrij bij het uiteenvallen (desintegreren) van een atomaire kern. Radioactiviteit komt dus voort
uit de kern van een atoom en niet uit de elektronenschil.
Radioactieve stof: elke stof die één of meer radionucliden bevat waarvan de activiteit of de concentratie om
redenen van stralingsbescherming niet mag worden verwaarloosd.
De kern van een atoom bestaat uit verschillende kerndeeltjes: protonen en neutronen.
Protonen hebben een positieve lading, neutronen zijn neutraal en hebben dus geen lading. In
de kern bevinden de kerndeeltjes zich dicht bij elkaar en dat ondanks het feit dat alle protonen
een positieve lading hebben en elkaar dus afstoten.
De kern wordt bijeengehouden door de zogeheten sterke kernkracht. Dit is één van de vier
- zwaartekracht
krachten in de natuur:
-
elektromagnetische kracht
-
sterke kernkracht
-
zwakke kernkracht
De sterke kernkracht is een aantrekkende kracht tussen kerndeeltjes die geen onderscheid
maakt tussen ladingen en dus vergelijkbaar is met de zwaartekracht. De sterke kernkracht
werkt echter alleen op zeer korte afstand. Deze samenbindende kracht in de kern is evenredig
met het aantal kerndeeltjes. Om nu een stabiele kern te krijgen dient de sterke kernkracht
groter te zijn dan de afstotende elektrische kracht tussen de protonen. Het aantal protonen
bepaalt de afstotende kracht en het aantal kerndeeltjes (protonen en neutronen) bepaalt de
samentrekkende kracht. Bij een groter aantal neutronen neemt alleen de samentrekkende
kracht toe. Bij een bepaalde verhouding tussen het aantal neutronen en protonen zijn de beide
krachten in evenwicht. Te veel protonen of te veel neutronen maken de kern vervolgens
instabiel.
15
In figuur 2.6 is de verhouding van het aantal protonen en neutronen in kernen weergegeven in
een zogenaamde nuclidenkaart of isotopentabel. Op deze kaart worden de nucliden
voorgesteld en gerangschikt volgens hun aantal protonen en neutronen. Voor lichte kernen
blijkt het aantal protonen en het aantal neutronen ongeveer gelijk te moeten zijn om een
stabiele kern te vormen. Bij zwaardere kernen neemt relatief het aantal neutronen toe, zodat
in zwaardere kernen zich altijd meer neutronen dan protonen zich bevinden. De stabiliteitslijn
is de band gevormd door de stabiele kernen
Figuur 2.8: stabiele en instabiele-radioactieve nucliden.
De 45° lijn bevat nucliden met gelijke aantallen protonen en neutronen.
16
Wanneer een kern dus een onjuiste verhouding tussen protonen en neutronen heeft, is deze
kern instabiel. Instabiele kernen vervallen naar stabiele kernen. Bij dit vervalproces
verandert het aantal of de samenstelling van de kerndeeltjes. Dit verval gaat gepaard met het
uitzenden van deeltjes en/of elektromagnetische straling.
Een kern die zeer instabiel is, zal binnen zeer korte tijd vervallen. Kernen die zich dichter bij
een stabiele toestand bevinden, zullen gedurende langere tijd kunnen bestaan voor dat ze
vervallen.
Figuur 2.9:voorstelling van het ‘teveel’ aan kerndeeltjes bij een instabiel atoom
Alle kernen van een radionuclide bezitten dezelfde waarschijnlijkheid om gedurende een
bepaalde tijdsduur te vervallen of desintegreren. Deze kans is enkel afhankelijk van de aard
van de nuclide en wordt niet beïnvloed door omgevingsparameters (zoals druk of
temperatuur) of de voorgeschiedenis van de kernen. Radioactiviteit is een statistisch
verschijnsel.
2.3.2. Stralingssoorten
Instabiele kernen kunnen vaak op meerdere manieren een lagere energietoestand bereiken.
Kenmerkend hierbij zijn het type radioactief verval, de uitgezonden stralingssoorten en hun
energieën. In deze paragraaf worden enkele kernomzettingen en de daarbij geproduceerde
(ioniserende) stralingsdeeltjes besproken. Er zijn echter nog meer vervalprocessen zoals: isomeer
verval, interne conversie, spontane splijting, Auger elektronen,…
17
-straling
Een -deeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Het-deeltje zelf is dus een
atomaire kern. Het element met dezelfde kernsamenstelling is Helium ( 24 He ). De
vervallende kern raakt dus twee protonen en twee neutronen kwijt. Het energieniveau van de
kern voor en na het verval is vast, waardoor de uitgezonden-deeltjes van een bepaald
isotoop een discrete energie hebben.
A
Z

X  ZA24X ' 24 He

Een voorbeeld van dergelijk verval is radium:
226
88
Ra  222
86 Rn  

4
2
He

De radiumkern met 226 kerndeeltjes, waarvan 88 protonen, vervalt dus naar een radonkern
met 222 kerndeeltjes, waarvan 86 protonen, onder uitzending van een-deeltje
Kernveranderingen worden vaak op deze wijze beschreven. De pijl geeft aan dat de
linkerkern vervalt. Bij verval blijft het aantal deeltjes behouden, dat wil zeggen dat het aantal
deeltjes van de oorspronkelijke kern wordt verdeeld over de overblijvende kern en het
uitgezonden deeltje. De opgetelde getallen aan beide kanten van de pijl moet dus gelijk zijn.
Zowel de bovenste getallen (aantal kerndeeltjes) als de onderste getallen (aantal protonen).
De energie van de-deeltjes is sterk afhankelijk van het specifieke isotoop dat vervalt. De
maximale energie bedraagt ongeveer 6MeV en is dus relatief hoog. Door de relatief grote
massa (viermaal amu) van dit deeltje raakt het zijn energie snel kwijt door middel van
botsingen met het materiaal waar het zich in bevindt. De dracht van-deeltjes in lucht is
maximaal ongeveer 7cm. In weefsel is deze dracht zeer veel minder, men kan de straling
tegenhouden door een blaadje papier. Wanneer een-deeltje zijn energie kwijt is, zal deze
heliumkern twee elektronen invangen en is vervolgens niet meer te onderscheiden van een
normale heliumkern.
Elektronstraling (β -)
Kernen die te veel neutronen hebben om stabiel te zijn, kunnen stabiel worden door één of
meerdere neutronen om te zetten in protonen. Neutronen kunnen worden beschouwd als een
proton en een elektron samen in één deeltje. De ladingen van het proton en het elektron
18
heffen mekaar op en de massa is ongeveer de som van de massa van een proton en een
elektron.
Wanneer nu een neutron omgezet wordt in een proton verdwijnt het elektron uit de kern vaak
met een grote energie. Dit verdwijnende elektron is de - straling:
1
0
 
n11p  10e  
Voor de kern heeft dit tot gevolg dat het totale aantal kerndeeltjes gelijk is gebleven, maar het
aantal protonen met één is toegenomen. De kern die vervalt gaat over in een kern van een
ander element.
Bij dit soort verval staat niet vast in welke energietoestand de kern achterblijft. Het-deeltje
kan elke energie hebben tot een bepaald maximum. De gemiddelde energie van een-deeltje
is ongeveer een derde van de maximale energie. De dracht van elektronen is aanzienlijk
groter dan die van-deeltjes aangezien de massa van een elektron 1/1860 deel is van de
massa van een kerndeeltje. De dracht van elektronen met een energie van 3MeV is ongeveer
1.5 cm in weefsel. Meestal is de energie van- stralingveel lager en wordt dus door een dun
laagje zwaar metaal (bijvoorbeeld platina) afgeschermd.
Een voorbeeld van een- stralier is cesium-137:
 
0

Cs137
Ba

e

56
1
137
55
( )
positronstraling ( + )
Kernen die te veel protonen hebben om stabiel te zijn, kunnen stabiel worden door één of
meerdere protonen om te zetten in neutronen:
1
1
p01n  10e
Het ontstane positron is een elektron met een positieve lading en een negatieve massa. Een
compleet spiegelbeeld dus van een gewoon elektron. Een deeltje met negatieve massa
(antimaterie) zal zo snel mogelijk een spiegelbeelddeeltje zoeken en hiermee reageren,
waardoor ze beide verdwijnen. Dit heet annihilatie (= in het niets verdwijnen). Het enige dat
overblijft is een hoeveelheid energie die vrijkomt door het omzetten van beide massa’s in
elektromagnetische straling. Deze energie zal in de vorm van twee fotonen vrijkomen die
onder een hoek van 180° uitgezonden worden. De zogenaamde PET (Positron Emission
19
Tomografie) scanner maakt van dit verschijnsel gebruik door uit de positie van de
gedetecteerde fotonen de plaats van het oorspronkelijke positron af te leiden. Bij deze
techniek wordt gebruik gemaakt van positron uitzendende radio-isotopen. Een voorbeeld van
een dergelijke kern is stikstof-13:
13
7
 
N 136Ba  10e   
0
1
e 10e  2 ' s (0.511 MeV )
Het resultaat voor de vervallende kern is dat het aantal protonen met één afneemt en het totaal
aantal deeltjes in de kern gelijk blijft.
elektronvangst
Een andere mogelijkheid voor kernen met te veel protonen is het invangen van een elektron.
In dit geval wordt dus niet een positief elektron weggeschoten maar wordt een negatief
geladen elektron ingevangen. Samen met een proton vormt dit elektron een neutron.
1
1
p  10e 01n
De kern houdt hierdoor evenveel kerndeeltjes maar verandert van element omdat het aantal
protonen met één afneemt. Het elektron dat wordt ingevangen, is meestal een elektron uit de
K-schil (binnenste schil). Het ontstane gat in de elektronenschil zal door elektronen uit
andere schillen opgevuld worden, waarbij karakteristieke (röntgen)straling wordt
uitgezonden. Bij dit kernproces worden dus geen deeltjes uitgezonden.
Een voorbeeld van elektronvangst is Cr-51:
51
24
Cr  10e51
23Va
-straling
Het verval van kernen door het uitzenden vandeeltjes (negatief of positief) wordt meestal
gevolgd door het uitzenden van een foton (γ-straling). Op deze manier raakt de kern het
teveel aan energie kwijt dat na het uitzenden van een deeltje nog aanwezig is boven het
stabiele energieniveau. De energieniveaus van begin- en eindkern zijn steeds hetzelfde,
waardoor de energie van de uitgezonden fotonen karakteristiek is voor de betreffende kern.
Wanneer bij een vervalproces geen energie over is voorstraling en er dus geenstraling
wordt uitgezonden, spreekt men van zuivereof stralers
20
De energie vanstraling is sterk afhankelijk van de specifieke kern. Het energiegebied strekt
zich uit van 100 keV tot 2.5 MeV.
Zowel röntgenstraling, annihilatiestraling alsstraling is elektromagnetische straling. Het
verschil is de wijze waarop de straling ontstaat. Röntgenstraling ontstaat door het afremmen
van elektronen in materie, annihilatiestraling ontstaat na het annihilatieproces van een
elektron en een positron enstraling ontstaat bij het verval van instabiele atoomkernen.
2.3.3. Radioactief verval
Door een ongunstige verhouding tussen het aantal protonen en neutronen kan een kern
instabiel zijn. In feite hebben deze kernen een overtollige hoeveelheid energie en streven naar
een stabielere situatie. Door een kernomzetting, waardoor de protonen- en
neutronenverhouding gunstiger wordt en/of een kernovergang waarbij energie in de vorm van
elektromagnetische straling (γ-straling) wordt uitgezonden, kan de kern stabieler worden. Het
verschijnsel dat instabiele nucliden bij de overgang naar een stabielere vorm spontaan
stralingsdeeltjes en/of hoogenergetische elektromagnetische straling uitzenden, wordt
radioactiviteit genoemd.
Het moment van het verval van een instabiele kern is een ‘toevallig’ en spontaan proces, ook
wel statistisch proces genoemd. Dit verval is niet te beïnvloeden door externe factoren zoals
druk- of temperatuursveranderingen. Bij een dergelijk proces is de kans dat het proces
optreedt in een bepaalde tijdsperiode gelijk aan de kans in eenzelfde tijdsperiode daarna. Als
de kans bijvoorbeeld in het eerste uur 10% is dan is deze in het tweede uur ook 10%, enz.
Een dergelijk gedrag wordt beschreven door een exponentiële functie.
De snelheid van verval kan op twee verschillende manieren worden aangegeven:
1. Met de vervalconstante De vervalconstante is een maat voor de snelheid van verval,
als groot is vervalt de stof snel, alsklein is vervalt de stof langzaam. In formulevorm,
ook wel vervalwet genoemd, geeft dit voor het verval van een stof die op tijdstip t=0 N0
kernen heeft voor het aantal kernen (Nt) op tijdstip t:
N t  N 0 * e  t
21
2. Met de halveringstijd T1/2. De halveringstijd geeft aan na hoeveel tijd nog de helft over is
van het oorspronkelijk aantal kernen. Is deze tijd lang dan vervalt de stof langzaam, is deze
tijd kort dan vervalt de stof snel. In formulevorm geeft dit:
N t  N 0 * e  t / T1/ 2
Beide formules beschrijven hetzelfde proces en er is dus een verband tussen de twee:

ln 2 0.693

T1 / 2
T1 / 2
Figuur 2.10: aantal kernen, n(t), als functie van de tijd
t, exponentieel verval, in eenzelfde tijdspanne T vervalt
het aantal kernen met eenzelfde factor
De halveringstijd van een radioactieve stof is een eigenschap die van belang is voor zowel het
gebruik voor therapeutische of diagnostische doeleinden als voor de stralingshygiënische
maatregelen.
22
Fysische Halveringstijd
Radionuclide
U-238 (uranium)
4.5 109 jaar
Cs-137 (cesium)
30 jaar
Sr-90 (strontium)
28 jaar
Co-60 (cobalt)
5.3 jaar
I-125 (jodium)
60 dagen
Ir-192 (iridium)
74 dagen
Tabel 2.1: halveringstijden van enkele radionucliden
De fysische halveringstijd (Tf) is dus de tijd waarin de helft van het oorspronkelijke aantal
kernen vervalt en ook de tijd waarin de activiteit halveert. Halveringstijden van diverse
radionucliden variëren van microseconden tot miljarden jaren. Indien wordt gesproken over
‘halveringstijd’ zonder nadere aanduiding, wordt in het algemeen de fysische halveringstijd
bedoeld.
Daarnaast bestaat ook een biologische halveringstijd (Tb). Deze geeft de tijd aan waarin de
helft van de hoeveelheid van een nuclide dat om een of andere reden in het lichaam is
opgenomen, is uitgescheiden. Dit geldt zowel voor een stabiel element als voor de instabiele
isotopen van dat element, want het lichaam ziet geen verschil tussen de verschillende isotopen
van een chemisch element. Voor 131I is de biologische halveringstijd 120 dagen en voor 32P
1000 dagen.
De combinatie van deze twee halveringstijden is de effectieve halveringstijd (Te), dat is de
tijd waarin de hoeveelheid van een radionuclide in het lichaam zowel door verval als door
uitscheiding is gehalveerd. De effectieve halveringstijd is een belangrijke factor om de
biologische risico’s van een isotoop in te schatten. Bij onderzoeken op patiënten is het
belangrijk dat de effectieve halveringstijd zo kort (als praktisch) mogelijk is. Deze effectieve
halveringstijd is te berekenen volgens de eenvoudige formule:
1
1 1


Te T f Tb
of ook
23
Te 
T f * Tb
T f  Tb
2.3.4. Activiteit
Activiteit: de activiteit A van een hoeveelheid radionuclide in een bepaalde energietoestand en op een gegeven
tijdstip is het quotiënt van dN en dt, waarin dN de verwachtingswaarde van het aantal spontane kernovergangen
vanuit die energietoestand gedurende het tijdsinterval dt voorstelt: A 
dN
dt
De intensiteit van de uitgezonden straling is evenredig met het aantal kernen van een stof dat
per seconde vervalt. Het aantal kernen dat per seconde vervalt van een stof wordt de activiteit
genoemd. Vanwege het verval neemt het aantal kernen van de stof af. Het aantal kernen van
een stof dat per seconde vervalt is evenredig met het totaal aantal kernen van die stof. Voor
de activiteit van een stof gelden dus dezelfde formules als voor het totaal aantal kernen van
een stof:
At  A0 * e  t
En
At  A0 * 2 t / T1 / 2
Hiermee kan de activiteit van een bron worden berekend voor een latere datum dan de
ijkdatum of kalibratiedatum.Dit heeft ook voor gevolg dat voor bijvoorbeeld een
therapeutische behandeling van een borsttumor met Ir-draden
de behandeltijd verlengt
192
naarmate de radioactieve draad ‘ouder’ is. Een ander voorbeeld zijn de 60Co-bronnen in de
radiotherapie, deze werden vervangen na een periode van één halveringstijd (5.27 jaar), de
behandeling van patiënten duurde dubbel zo lang op het ‘einde’ van de bron dan in het begin.
Afhankelijk van de toegediende dosis kon zo de behandeltijd oplopen tot 10 minuten (bij
versnellers ongeveer 2 à 3 minuten).
Radioactieve stoffen komen in de natuur voor. De halveringstijden van radionucliden, die
sinds het ontstaan van de aarde (ong. 5*109 jaar geleden) nog niet geheel vervallen zijn, is
noodzakelijkerwijs erg lang. Wanneer een instabiele kern vervalt kan dit direct een stabiele
kern opleveren, of een volgende instabiele kern. Wanneer er achtereenvolgens een hele reeks
instabiele kernen wordt gevormd spreekt men van reeksvorming.
24
Radioactieve stoffen kunnen ook gemaakt worden. Dit kan met behulp van een kernreactie
tussen twee kernen of kerndeeltjes of met behulp van kernsplijting. Om de kernreactie tot
stand te brengen is het nodig een kern of kerndeeltje een hoge snelheid (energie) te geven om
tot een andere kern door te dringen, of gebruik te maken van neutrale kerndeeltjes
(neutronen).
Bij het gebruik van een lineaire elektronenversneller (meestal een ‘LINAC’ genoemd van
LINear ACcelerator) kan ook neutronenstraling worden geproduceerd. In principe worden
de versnelde elektronen van deze versneller direct gebruikt als elektronenstraling of indirect
voor de productie van röntgenstraling (remstraling). De fotonen van deze röntgenstraling
kunnen een dusdanig hoge energie hebben dat deze fotonen met een kern een reactie
ondergaan:
A
Z
X    AZ1X  01n
Via deze reactie ontstaat dus neutronenstraling. De ondergrens voor dit soort reacties is
ongeveer 8 MeV fotonen. Deze reactie kan een radioactief isotoop van het element X
opleveren. Een aantal materialen in de kop van een versneller vormt op deze manier een
stralingsbron. Het is daarom belangrijk bij het ontwerpen van een versneller met dit aspect
rekening te houden. De halveringstijd van de gevormde isotopen is kort, zodat de activiteit
snel weer verdwijnt.
Bij radioactieve bronnen onderscheidt men ingekapselde en niet-ingekapselde bronnen. Een
definitie van zowel een bron als een ingekapselde bron wordt gegeven in het KB van 20 juli
2001.
Bron: radioactieve stof, toestel of installatie die ioniserende stralingen kan uitzenden of die radioactieve stoffen
bevat.
Ingekapselde bron: bron waarvan de structuur verhindert dat er, bij normaal gebruik, enige verspreiding van
radioactieve stoffen in de omgeving kan zijn.
25
Radioactieve bronnen dienen als zodanig herkenbaar te zijn: waarschuwingsteken, nuclide,
activiteit. Deze bronnen zijn op commerciële basis verkrijgbaar van gespecialiseerde
producenten (vb. Amersham). Ingekapselde bronnen dienen te voldoen aan kwaliteitseisen,
opdat zeker gesteld is dat de radioactieve stof niet vrijkomt onder de omstandigheden waarin
de bron wordt toegepast.
Figuur 2.11: waarschuwingsteken voor ioniserende
straling; zwarte driehoek met gele achtergrond
26
3. Wisselwerking tussen straling en materie
Een goed inzicht in de wisselwerking van straling met materie is onontbeerlijk voor zowel de
theoretische als praktische beoefening van de stralingsbescherming. Deze wisselwerking
vormt immers de basis voor de stralingsdosimetrie, voor de kwalitatieve en kwantitatieve
meting van straling, voor de afscherming van straling en voor de evaluatie van de biologische
gevolgen van blootstelling aan straling.
Een beschrijving van de wisselwerkingsprocessen bij de medische toepassing van
röntgenstraling enstraling is zeer complex. Hiervoor is een aantal redenen aan te geven:
 In de eerste plaats is het menselijk lichaam niet homogeen van samenstelling. De
soortelijke massa en de samenstelling (het atoomnummer) van de weefsels lopen sterk uiteen
(denk aan bot, spierweefsel, vet, longweefsel, enz... ).
 Verder is de opvallende bundel straling vrijwel nooit mono−energetisch, in de regel is er
sprake van een breed energiespectrum.
 Voorts is de dikte van het object er de oorzaak van dat het energiespectrum van de straling
zich, afhankelijk van de diepte in het object, wijzigt. Er treedt energieopharding op.
 Ten slotte zal de brede stralenbundel die wordt toegepast een aanzienlijke
verstrooiingsbijdrage leveren die de bepaling van de verzwakking van de primaire bundel
bemoeilijkt.
Men kan een onderscheid maken tussen direct en indirect ioniserende straling. Bij direct
ioniserende straling hebben we te maken met snelle geladen deeltjes (elektronen, alfadeeltjes,
protonen) die hun energie direct aan de materie afgeven (dat wil zeggen aan de atomaire
elektronen en/of de atoomkernen). De wisselwerking van direct ioniserende straling
kenmerkt zich door zeer veel wisselwerkingen met weinig energieverlies per wisselwerking.
Het doordringend vermogen van deze stralingssoort is in het algemeen gering.
Bij indirect ioniserende straling hebben we te maken met ongeladen deeltjes (fotonen,
neutronen), die hun energie overdragen aan geladen deeltjes. Deze deeltjes kunnen op hun
beurt de energie aan de materie afgeven zoals bij direct ioniserende straling. De wisselwerking van
ongeladen deeltjes kenmerkt zich door weinig wisselwerkingen met een
27
relatief grote energieoverdracht per wisselwerking. Het doordringend vermogen van deze
stralingssoort kan aanzienlijk zijn.
3.1. Verzwakking van elektromagnetische straling
Fotonen die op een laag materiaal vallen zullen ofwel door het materiaal heen dringen, ofwel
een wisselwerking met de atomen van het materiaal aan gaan. Fotonen hebben dus een zeker
doordringend vermogen. De wisselwerking bestaat uit verstrooiing en/of absorptie. Deze zijn
macroscopische wisselwerkingen, men kan deze fenomenen relatief eenvoudig waarnemen of
meten.
Figuur 3.1: schematische voorstelling van interacties van fotonen en materie;
fotonen worden ofwel doorgelaten, geabsorbeerd of verstrooid
Verstrooiing
Bij verstrooiing ontstaat uit de wisselwerking tussen fotonen en materie een ander foton. Dit
gaat verder in een andere richting dan het invallende foton. De energieoverdracht vindt niet
rechtstreeks plaats, eerst zullen elektronen worden vrijgemaakt uit de atomen van het object,
daarna zullen deze snelle elektronen op hun beurt energie overdragen via ionisatie en excitatie
van de atomen langs hun baan. Om deze reden wordt röntgenstraling indirect ioniserende
straling. Bij een geladen deeltje, zoals een elektron bijvoorbeeld, met voldoende kinetische
28
energie om een atoom te ioniseren, is er sprake van direct ioniserende straling. De energie
van het snelle elektron wordt in kleine porties en dus via een groot aantal botsingen
overgedragen aan de materie. Het snelle elektron laat hierbij een spoor van geïoniseerde en
geëxciteerde atomen achter.
Absorptie
Bij absorptie wordt de energie van het foton geheel of gedeeltelijk omgezet in een andere
vorm van energie. Absorptie geeft altijd een verzwakking van de intensiteit van een bundel
straling. Bij verstrooiing wordt de intensiteit van een bundel straling ook verzwakt, vooral
doordat de verstrooide straling in een andere richting wordt gestuurd: in de doorgaande
richting van de bundel wordt de intensiteit kleiner. Deze beschouwing geldt voor alle soorten
elektromagnetische straling, dus ook voor licht.
Voor de intensiteit van een smalle bundel straling, die is opgebouwd uit fotonen van één
enkele energiewaarde (mono-energetische bundel),geldt na het passeren van een laag
materiaal een eenvoudige wetmatigheid.
Deze relatie is:
I  I 0 * e  D
29
Hierbij is:
-
I0 de intensiteit van de invallende bundel
-
I de intensiteit van de uittredende bundel
-
 een materiaalconstante (afhankelijk van de energie van de straling)
-
D de dikte van het materiaal
-
e het grondgetal voor de natuurlijke logaritme, zijnde 2.71828..
Wanneer een bundel straling niet mono-energetisch is (wat meestal het geval is) geldt deze
relatie niet. In theorie kan het spectrum van de bundel in componenten voor verschillende
energieën worden ontleed. Op elk van deze componenten kan dan wel deze wet worden
toegepast, waarna de totale intensiteit door sommatie kan worden bepaald.
Een belangrijke grootheid voor een materiaal is de halfwaardedikte D1/2, of halveringsdikte
HVD, voor een bundel straling met bepaalde energie. Dit is de dikte van het materiaal
waarbij de intensiteit van de bundel na het passeren van de laag tot de helft is teruggevallen.
Ook wordt regelmatig de term ‘tienwaardedikte’ gebruikt, hiervoor wordt er gekeken naar
hoe dik een bepaald materiaal moet zijn om de intensiteit tot één tiende (10%) te reduceren.
Voor een poli-energetische fotonbundel (meer dan één energie) treedt er het fenomeen van
energie-opharding op, de straling wordt ‘harder’. De laag energetische fotonen worden in het
algemeen sterker verzwakt dan fotonen met een hogere energie. Om de intensiteit van de
‘hardere’ straling tot de helft te verzwakken is er een grotere dikte materiaal nodig, de
halveringsdikte neemt toe (zie figuur 3.1 ).
Hier is een ander zeer belangrijk principe uit de stralingsbescherming beschreven, namelijk de
afscherming. Samen met de afstand (denk aan de kwadratenwet) en tijd is de afscherming
een belangrijke factor om de dosis tot een minimum te herleiden voor zowel de bezoekers als
voor het personeel. Denk maar aan de loodafscherming bij radiologische toepassingen of de
grote betonnen bunkers waar de lineaire versnellers in staan.
30
Figuur 3.2: de HVD neemt toe met de diepte ten
gevolge van het harder worden van de straling
31
3.2. Wisselwerking van geladen deeltjes met materie
De wisselwerking van geladen deeltjes met materie kan plaatsvinden door wisselwerking met
het atoom, het elektrisch veld van de kern en met de atoomkern zelf. Voor de meeste
praktische toepassingen is de interactie met het atoom, dat wil zeggen met de atomaire
elektronen, de belangrijkste. Het geladen deeltje draagt dan in de interactie (botsing) een deel
van zijn energie over. Dit kan gepaard gaan met vrijmaking van een elektron (ionisatie) of
door energieoverdracht waarbij de inwendige energie van het atoom toeneemt (excitatie).
Langs deze weg vindt de feitelijke energieoverdracht aan de materie plaats, er wordt dosis
afgegeven.
Bij ionisatie wordt er een elektron uit zijn baan in het atoom vrijgemaakt. Het
geïoniseerde atoom wordt een positief ion, terwijl het vrije elektron, nadat het al zijn energie
is kwijtgeraakt, zich meestal spoedig hecht aan een ander atoom. Dit atoom wordt daardoor
een negatief ion, zodat een ionenpaar gevormd ontstaat.
Bij excitatie is de energie die aan het atoom wordt overgedragen niet voldoende om een
ionisatie te bewerkstelligen, de energie wordt nu gebruikt om een elektron op een hoger
energieniveau te brengen. Het atoom bevindt zich hierna in een aangeslagen toestand. In
tegenstelling tot een geïoniseerd atoom is een geëxciteerd atoom nog steeds elektrisch
neutraal.
Figuur 3.3: schematische voorstelling van excitatie van een atoom ten
gevolge van een botsing van een vrij elektron met een elektron uit de
elektronenschil
32
De elektronen die bij de ionisaties uit de elektronenwolk worden losgerukt, zullen in het
algemeen zeer lokaal hun energie weer afstaan. Soms krijgen de losgerukte elektronen zoveel
energie mee, dat deze op hun beurt weer aanleiding geven tot een spoor van ionisaties. Men
spreekt in dit geval van een secundair elektron.
Na excitatie treedt er ook de zogenaamde karakteristieke straling. Het vrijgemaakte elektron
laat een vacature of gat in een elektronenbaan die normaal gevuld is, deze wordt opgevuld
door een elektron uit een hoger gelegen baan. De daarbij vrijkomende energie komt vrij in de
vorm van een foton. De energie van het uitgezonden foton is exact gelijk aan het verschil in
(binding)energie van beide elektronenbanen. Aangezien de waarden van deze energieën
karakteristiek zijn voor het betreffende atoomsoort, wordt gesproken over karakteristieke
straling.
Wanneer energierijke elektronen op materie invallen kunnen zij soms ook tot vlak bij de
atoomkern doordringen. Het negatief geladen elektron ondervindt dan in het algemeen een
aantrekkingskracht van de positief geladen kern en wordt afgebogen.
Soms treedt er een elektromagnetische interactie op tussen het elektron en de kern. Wanneer
dit gebeurt, raakt het elektron kinetische energie kwijt en wordt dus afgeremd. Het
energieverlies komt vrij in de vorm van een foton. Deze vorm van elektromagnetische
straling wordt remstraling genoemd. De waarschijnlijkheid van het ontstaan van remstraling
neemt toe bij toenemende energie van het elektron en met toenemend atoomnummer van het
medium.
In de radiotherapie kunnen patiënten worden bestraald met de remstraling van elektronen met
energieën van 4 tot ongeveer 50 MeV.
Figuur 3.4: productie van remstraling; links: afbuiging zonder dat
remstraling wordt geproduceerd, rechts: afbuiging met remstraling
33
Een snel elektron doorloopt een grillige baan in de materie en deze baan wordt gemarkeerd
door een spoor van positieve en negatieve ionen en aangeslagen atomen. Hier en daar
ontstaat remstraling. Aan het begin van de baan is de afname van de energie per weglengte
vrijwel constant. Aan het einde van de baan neemt het aantal ionisaties per weglengte toe.
De effectieve afstand die een snel elektron in de materie doorloopt noemt men de dracht van
dat elektron. De dracht van een elektron, vrijgemaakt door een foton van bijvoorbeeld 100
keV, bedraagt in water ongeveer 0.14 mm.
Figuur 3.5: schematische weergave van de baan van
een snel elektron in materie
34
3.3. Wisselwerking fotonen en materie
Wanneer fotonen materie binnendringen, kunnen ze op verschillende manieren een
wisselwerking met de atomen of de elektronen in de materie aangaan, hetgeen gepaard kan
gaan met energieafgifte. De vier belangrijkste wisselwerkingen, die hier zullen besproken
worden, zijn: coherente verstrooiing, foto-elektrische absorptie, Compton verstrooiing en
paarvorming.
3.3.1. Coherente verstrooiing
Fotonen kunnen in de materie verstrooid worden. Wanneer de energie van de fotonen klein is
in vergelijking met de (binding)energie van de elektronen, dan treedt er verstrooiing op aan
het gehele atoom, de energie van de fotonen verandert daarbij niet.We kunnen ons
voorstellen dat de gebonden elektronen door botsing met een foton in trilling worden
gebracht, waarna een foton met dezelfde energie in
een andere richting wordt uitgezonden.Bij dit
proces wordt dus géén energie aan de bestraalde
materie afgegeven. Coherente verstrooiing (ook
Rayleighverstrooiing of klassieke verstrooiing genoemd) is
voornamelijk vanbelang voor betrekkelijk laag-energetische
fotonenen elementen met een hoog atoomnummer van het
materiaal en neemt zeer sterk af bij toenemende
fotonenergie. Deze afhankelijkheid van de fotonenergie vormt de
verklaring voor het harder worden van de straling. De
laagenergetische fotonen worden dus door relatief weinig
materiaal uigefilterd (eigenlijk verstrooid)
Figuur 3.6: Coherente verstrooiing
35
3.3.2. Foto-elektrische absorptie
Bij dit proces vindt er tussen een foton en een atoom een wisselwerking plaats waarbij het
foton zijn totale energie afstaat en dus ophoudt te bestaan. Het foton is dus geabsorbeerd.
Een deel van de energie van het foton wordt gebruikt om het elektron uit het atoom vrij te
maken. Deze hoeveelheid energie correspondeert met de (binding)energie van het
vrijgemaakte elektron. De rest van de energie manifesteert zich als kinetische energie van het
vrije elektron, dit elektron wordt het foto-elektron genoemd.
Bij deze wisselwerking ontstaat dus een lege plaats in een van de schillen van het atoom, deze
lege plaats wordt weer opgevuld, waarbij een foton kan vrijkomen. De secundaire straling die
aldus ontstaat wordt karakteristieke straling genoemd, afhankelijk van de energie wordt dit
ook wel soms fluorescentiestraling genoemd.
Figuur 3.7: foto-elektrische absorptie
Bij foto-elektrische wisselwerkingen in menselijk weefsel, dat hoofdzakelijk uit elementen
met een laag atoomnummer is opgebouwd die dus een geringe maximale bindingsenergie
bezitten wordt vrijwel alle geabsorbeerde energie meegegeven aan het foto-elektron als
kinetische energie.
36
Een eventuele verzwakking ten gevolge van de foto-elektrische wisselwerking wordt
beschreven door middel van de foto-elektrische absorptiecoëfficiënt Deze coëfficiënt blijkt
evenredig te zijn aan de atoomdichtheid (het aantal atomen per eenheid van volume) en blijkt
voorts zeer sterk af te hangen van het atoomnummer Z. Dit vormt de basis voor de toepassing
van röntgenstraling in de radiodiagnostiek. Het verschil in (effectief) atoomnummer van de
verschillende weefsels zoals bot, spier en vet versterkt de verschillen in absorptie van de
röntgenstraling in het geval de absorptie hoofdzakelijk door het foto-elektrisch effect wordt
veroorzaakt. De toepassing van contrastmiddelen zoals barium- of jodiumhoudende stoffen
(barium en jodium zijn beide elementen met een hoge Z) berust eveneens op de evenredigheid
tussen atoomnummer en de foto-elektrische absorptiecoëfficiënt.
3.3.3. Compton effect
Bij het Compton-proces vindt een wisselwerking plaats tussen het foton en een elektron,
waarbij de energie die nodig is om het elektron uit het atoom vrij te maken verwaarloosbaar
klein is ten opzichte van de energie van het foton. Men zou dit elektron als een vrij elektron
kunnen beschouwen. Bij deze wisselwerking wordt een deel van de energie van het foton
overgedragen aan het elektron. Dit elektron, Compton-elektron genoemd, krijgt hierdoor een
aanzienlijke snelheid. De rest van de energie manifesteert zich als een verstrooid foton. Dit
foton heeft een lagere energie en een andere richting dan het oorspronkelijke foton.
Figuur 3.8: Compton effect
37
De hoeveelheid energie die overgedragen wordt aan het Compton-elektron is niet enkel
afhankelijk van de energie van het oorspronkelijke foton, maar ook van de verstrooiingshoek.
Hoe groter de verstrooiingshoek, hoe groter het verschil in energie en dus hoe lager de energie
van het verstrooide foton. De energie van schuin voorwaarts verstrooide straling is hoger dan
de energie van schuin achterwaarts verstrooide straling.
In tegenstelling tot het foto-elektrisch effect is het Compton-effect vrijwel niet afhankelijk
van het atoomnummer. De verzwakkingcoëfficiënt voor het Compton-effect neemt af met
toenemende energie, echter in geringere mate dan bij het foto-elektrisch effect. Daardoor zal
bij hogere energieën (> 100 keV) het Compton een grotere rol spelen dan het foto-elektrische
effect.
3.3.4. Paarvorming
Vlak bij een atoomkern kan een foton met voldoende energie omgezet worden in een elektron
en een positron (een deeltje met dezelfde massa als een elektron maar met een positieve
lading). Het foton verliest bij dit proces al zijn energie en gaat dus verloren. Dit is een
voorbeeld van de omzetting van energie in massa. Het verband tussen deze twee grootheden
wordt gegeven door de formule E=mc² (Einstein!, c is de lichtsnelheid). Een elektron (massa
= 9.11 10-31 kg) vertegenwoordigt volgens deze formule een energie van 511 keV. Er is dus
Figuur 3.9: paarvorming
38
een minimale fotonenergie van 1.022 MeV nodig om paarvorminginteractie plaats te kunnen
laten vinden. In de praktijk gaat paarvorming pas een rol spelen bij nog hogere energieën (> 5
MeV). Deze wisselwerking kan dus bij radiodiagnostische energieën niet plaatsvinden, echter
wél in de radiotherapie en de nucleaire geneeskunde.
Het uitgezonden positron gaat vrij vlug een reactie ondergaan met een vrij elektron. Hierbij
verdwijnen het elektron en het positron en ontstaan twee fotonen. Dit is eigenlijk het
omgekeerde proces, massa wordt omgezet in energie. Dit wordt annihilatiestraling
genoemd. De twee annihilatiefotonen hebben een energie van 511 keV en worden in precies
tegenovergestelde richtingen uitgezonden. Op deze wisselwerking is een PET-scanner
(Positron Emission Tomografie) gebaseerd.
Figuur 3.10: annihilatiestraling
3.3.5. Combinatie van wisselwerkingen
Fotonen kunnen dus op verschillende manieren met de materie in wisselwerking treden.
Welke wisselwerking het meest optreedt hangt af van de energie van de fotonen en de
samenstelling (≈ atoomnummer) van de materie.
De coherente verstrooiing is slechts van belang bij zeer lage fotonenergie en bij materiaal met
een hoog atoomnummer. Voor de medische toepassing van röntgenstraling zijn daarom het
39
foto-elektrisch effect, het Compton-effect en de paarvorming verreweg de belangrijkste
wisselwerkingprocessen.
In afbeelding 3.8 is de totale verzwakkingcoëfficiënt van water uitgezet als functie van de
energie van het foton. Bij lage energie overheerst foto-elektrische absorptie, vanaf een
bepaalde energie gaat Compton-verstrooiing overheersen. De energie waarbij dit het geval is
hangt af van het atoomnummer van het materiaal. Zo overheerst bij water foto-elektrische
absorptie tot ongeveer 30 keV en bij lood tot ongeveer 600 keV.
Energie (MeV)
Figuur 3.11: totale absorptiecoefficiënt voor water als functie van de energie
40
In afbeelding 3.9 wordt een schematische voorstelling gegeven van de mogelijke
gebeurtenissen die plaatsvinden wanneer een fotonenbundel op materie valt.
A. foton gaat zonder wisselwerking door de materie
B. foto-elektrisch effect, baan van een foto-elektron met een spoor van ionisaties en
karakteristieke straling (K)
C. Compton-effect, baan van een Compton-elektron met een spoor van ionisaties en een
achterwaarts verstrooid foton
D. idem als C maar met een voorwaarts verstrooid foton
E. paarvorming met annihilatiestraling
(F. kernfoto-effect, waarbij een neutron uit de atoomkern wordt gestoten)
Figuur 3.12: schematische voorstelling van de effecten veroorzaakt door een
fotonbundel die op materie valt
41
Samenvattend kan gesteld worden dat wanneer een bundel röntgenstraling op materie valt, het
volgende gebeurt (zie figuur 3.10):
-
een gedeelte van de fotonen wordt ongehinderd doorgelaten
-
in de materie ontstaan vele ionenparen
-
de materie zendt naar alle kanten verstrooide fotonen uit, en ook karakteristieke
straling
Figuur 3.13: blokschema van wisselwerkingen
tussen fotonen en materie
42
4. Stralingseenheden en grootheden
Er is een essentieel onderscheid tussen een grootheid en een eenheid.
Een fysische grootheid karakteriseert een fysisch verschijnsel dat zich ervoor leent om in een
getalswaarde te worden weergegeven. Lengte, tijd, volume en geabsorbeerde dosis zijn
voorbeelden van fysische grootheden.
Een eenheid is een via een definitie afgesproken fysische grootheid die dient als maat. Een
fysische grootheid kan dus worden uitgedrukt als een getalswaarde maal een eenheid.
In het SI-stelsel (Système International d’Unités: aanbevolen wereldwijd systeem voor de meet eenheden),
ook wel mks-stelsel genoemd, worden twee soorten eenheden onderscheiden: de
grondeenheden en de afgeleide eenheden. De zeven grondeenheden in het SI-stelsel zijn
meter (m), kilogram (kg), seconde (s), ampère (A), kelvin (K), mol (mol) en candela voor
respectievelijk de grootheden lengte, massa, tijd, elektrische stroom, temperatuur, hoeveelheid
stof en lichtsterkte.
Afgeleide eenheden worden gevormd door een combinatie van de grondeenheden,
bijvoorbeeld m³ voor de grootheid volume en kgm2s-2 voor de grootheid energie. Sommige
afgeleide eenheden hebben een speciale naam, zoals bijvoorbeeld de joule (J) voor de
grootheid energie. Daarnaast zijn er nog een aantal eenheden die in een bepaald vakgebied
worden gebruikt naast de SI-eenheden. Voor de grootheid energie is dat bijvoorbeeld de
elektronvolt (eV), terwijl dag, uur en minuut voor de grootheid tijd worden gebruikt.
Hierna volgt een beschrijving van de relevante grootheden en eenheden die gebruikt worden
in de stralingsfysica en stralingsbescherming.
43
Een aantal voorvoegsels voor het vormen van decimale veelvouden en delen van SI-eenheden
is opgenomen in tabel 4.1. Symbolen van voorvoegsels worden zonder spatie vóór de
symbolen van de eenheden geplaatst.
Factor
Voorvoegsel
symbool
Factor
10-1
deci
d
101
deca
da
10-2
centi
c
102
hecto
h
10-3
milli
m
103
kilo
k
10-6
micro

106
mega
M
10-9
nano
n
109
giga
G
10-12
pico
p
1012
tera
T
f
15
peta
P
10
-15
femto
10
Voorvoegsel
Symbool
Tabel 4.1: decimale voorvoegsels
4.1. Stralingsenergie
De energie van de fotonen of andere deeltjes zou men volgens het SI-stelsel uit moeten
drukken in de eenheid J (Joule). De energie van fotonen, zoals door een kobalt-60 bron
uitgezonden worden, bedraagt 2*10-13 J. Maar zowel voor ioniserende deeltjesstraling (α,
en neutronenstraling) als voor fotonenstraling (γ stralen) wordt de eenheid elektronvolt (eV)
gebruikt of veelvouden daarvan omdat dit eenvoudig te hanteren getalwaarden geeft.
1 keV = kilo-elektronvolt = 103 eV;
1 MeV = mega-elektronvolt = 106 eV;
1 GeV = giga-elektronvolt = 1012 eV
Eén elektronvolt is gedefinieerd als de energie die een vrij elektron (met lading 1,6*10-19 C)
wint als het een spanningsverschil van 1 volt doorloopt. Een elektron, dat in een röntgenbuis
met een spanningsverschil van 100 kV versneld wordt, krijgt dus een energie van 100 keV.
Uit de definitie volgt dan de volgende relatie:
1 eV = 1,6 *10-19 J
44
Om een indruk van grootte te krijgen het volgende: fotonen in zichtbaar licht hebben een
energie van enkele eV, voor ionisatie is minimaal enkele tientallen eV nodig. Diagnostische
röntgenstraling heeft in het algemeen een fotonenergie van 30-150 keV. De energie van
straling die in de radiotherapie wordt gebruikt ligt in de orde van één tot enkele tientallen
MeV. Gamma- en bètastraling door radionucliden uitgezonden, heeft een bereik van enkele
tientallen keV’s tot enkele MeV’s.
4.2. Radioactiviteit
Het aantal kernen dat per seconde vervalt van een stof wordt de radioactiviteit genoemd. De
eenheid van activiteit is de Becquerel (Bq), naar de franse fysicus Henri Becquerel (18521908). Een stof heeft een activiteit van één Becquerel wanneer er van die stof één kern per
seconde vervalt. Vanwege het verval neemt de activiteit van een stof af via één van volgende
formules:
At  A0 * e  t
of
At  A0 * 2  t / T1 / 2
In het verleden, en eigenlijk nu ook nog, werd er een andere eenheid gebruikt voor
radioactiviteit. Deze eenheid was gerelateerd aan het radium dat door Marie Curie ontdekt
werd. De oude eenheid werd Curie (Ci) genoemd en werd gedefinieerd als de activiteit van 1
gram radium-226. Aangezien van één gram radium 3,7 1010 kernen per seconde vervallen
geldt:
1 Ci = 3.7 1010 Bq
Een activiteit van één Becquerel is een extreem lage activiteit. In de praktijk is de activiteit
vaak vele miljoenen Becquerel, zodat vaak gewerkt wordt met MegaBecquerel (MBq),
GigaBecquerels (GBq) of TeraBecquerel (TBq). Enkele voorbeelden:
- 99m voor nucleair geneeskundig onderzoek: 10 mCi of 370 MBq
- Coronaire brachytherapie voor in-stent restenosis: 1,7 GBq (46 mCi) 90Sr
- LDR brachytherapie met 192Ir draad: 90 mCi of 3.33 GBq (PDR: 1 Ci of 37 GBq)
- Prostaat implantaten met 125I zaadjes die een activiteit hebben van 0,4 mCi (14,8MBq) per zaadje
- Schildklier therapie met 100 mCi of 3,70 GBq 131I
45
4.3. Geabsorbeerde dosis
De geabsorbeerde dosis in een materiaal is gedefinieerd als de in dat materiaal geabsorbeerde
stralingsenergie (dE) per massa-eenheid (dm).
D
dE
dm
De SI-eenheid voor de grootheid geabsorbeerde dosis is Jkg-1, met de speciale naam gray
(Gy), genoemd naar de fysicus Louis Harold Gray (1905-1965). Eén Gray is dus gelijk aan
de energieafgifte van 1 Joule in één kilogram materiaal. De definitie van de grootheid
geabsorbeerde dosis is zodanig dat de grootheid bruikbaar is voor alle soorten ioniserende
straling en alle soorten materiaal, maar deze grootheid beschrijft de biologische effecten voor
verschillende soorten straling in weefsel niet.
Een oude een eenheid voor geabsorbeerde dosis is de rad (radiation absorbed dose). Deze
eenheid wordt nog veel gebuikt in de Verenigde Staten en het verband met de eenheid Gray is
als volgt:
1 Gy = 100 rad
Het dosistempo is gedefinieerd als de geabsorbeerde dosis (dD) per tijdseenheid (dt) met als
SI-eenheid Gys-1:
.
D
dD
dt
4.4. Dosisequivalent
De afgegeven energie kan in weefselcellen schade veroorzaken. Deze schade is echter bij
dezelfde geabsorbeerde dosis niet voor alle stralingssoorten– en energieën dezelfde. Zo zal
een zelfde dosis-straling plaatselijk veel meer schade aanrichten dan een dosis-straling.
Dit verschil in biologische effectiviteit van de verschillende stralingssoorten wordt in rekening
gebracht door middel van de stralingsweegfactor (wR). De aldus gewogen
46
geabsorbeerde dosis heeft de naam equivalente dosis (H). De eenheid hiervoor is ook J/kg,
maar wordt sievert (Sv) genoemd, naar de zweedse fysicus Rolf Sievert (1898-1966).
Dus:
H  D * wR
Wanneer de dosis is uitgedrukt in de eenheid ‘rad’, is er een andere (verouderde) eenheid
namelijk de rem (röntgen equivalent man). Er geldt dus ook dat 1 Sv = 100 rem.
Soort straling en energiegebied
wR
Fotonen, alle energieën
1
Elektronen (), alle energieën
1
Neutronen
< 10keV
5
10-100 keV
10
100keV – 2MeV
20
2MeV-20MeV
10
>20MeV
5
protonen
5
-deeltjes, zware deeltjes
20
Tabel 4.2: stralingsweegfactoren wR volgens ICRP-60 (1991)
Om een idee te geven van de grootte van deze waarde, worden hieronder enkele situaties
vermeld, alle overeenkomend met een stralingsbelasting van ca. 1mSv effectieve dosis:
 Twee jaar blootstelling aan radon in de woning
 Anderhalf jaar blootstelling aan natuurlijke straling
 Ca. 10 keer retour Brussel New-York per vliegtuig
 Ca. 67 weken skiën
 Ca. 12 thoraxopnames
47
Enkele voorbeelden van de geabsorbeerde en equivalente dosis bij veel voorkomende
röntgenonderzoeken

Mammografie: dosis over het borstklierweefsel is 2mGy, hetgeen resulteert in
een effectieve dosis van 0.002 * 0.05 = 0.0001 Sv = 0.1 mSv

Conventioneel thoraxonderzoek: effectieve dosis van ongeveer 0.09mSv. Dit is
het meest uitgevoerde onderzoek, het draagt daardoor aanzienlijk bij aan de
gemiddelde dosisbelasting ten gevolge van radiodiagnostiek, ondanks de relatief
lage patiëntendosis.

CT-thoraxonderzoek: de effectieve dosis kan 5-15 mSv bedragen, dit is afhankelijk
van het onderzoeksprotocol, voor verschillende lokalisaties (tot drie) kan dit
oplopen tot bijna 50 mSv!

Overzichtsfoto van de buik: levert doorgaans een effectieve dosis van ca 1mSv op
 CT-buikonderzoek: ongeveer 10-25 mSv
 Lumbale wervelkolom: een effectieve dosis van ca 2mSv
 Intra-orale tandheelkundige röntgenopname: 1-15Sv
 Skeletscintigram: 550-750 MBq 99mTc geeft een effectieve dosis van 4-6 mSv
 Myocardscintigram: 201Tl geeft een relatief hoge stralingsbelasting van gemiddeld
17 mSv
 Radiotherapie: lokaal hoge dosissen zijn vereist om het tumorweefsel te
vernietigen, een typische dosis voor een mammacarcinoom is 66 Gy,
gefractioneerd toegediend in 33 fracties van 2Gy
4.5. Effectieve dosis
De effectieve dosis is een grootheid die gedefinieerd is voor het gehele lichaam. De waarde
van deze grootheid hangt af van de orgaandosissen en de weefselweegfactoren.
In de stralingsbescherming wordt het menselijk lichaam in de regel niet uniform bestraald.
En zelfs bij uniforme bestraling van het gehele lichaam is de dosis voor verschillende
organen/weefsels niet gelijk. Bepaalde organen krijgen een grotere, andere een kleinere dosis.
Er bestaan grote verschillen in stralingsgevoeligheid tussen de verschillende organen of
48
weefsels. Sommige weefsels zoals spierweefsel zijn relatief ongevoelig voor de blootstelling
aan straling. Andere weefsels daarentegen, zoals het beenmerg zijn juist zeer gevoelig en
vertonen relatief grote effecten. Om deze verschillen in rekening te brengen is een (tweede)
weegfactor ingevoerd: de weefselweegfactor, w . De weefselweegfactor voor de huid is heel
T
klein (weinig kans op sterfte door een huidtumor), maar voor het rode beenmerg vrij groot
(meer kans op sterft door leukemie).
Orgaan of weefsel
Weefselweegfactor, wT
Geslachtsorganen
0.2
Beenmerg (rood)
0.12
Dikke darm
0.12
Longen
0.12
Maag
0.12
Blaas
0.5
Borstweefsel
0.5
Lever
0.5
Slokdarm
0.5
Schildklier
0.5
Huid
0.01
Botoppervlak
0.01
Overige
0.05
Gehele lichaam
1
Tabel 4.3: weefselweegfactoren volgens ICRP-60 (1991)
Met de twee gedefinieerde weegfactoren (de stralingsweegfactor en de weefselweegfactor) is
een samengestelde grootheid ingevoerd die zowel de effectiviteit van de stralingssoort als de
verschillen in stralingsgevoeligheid van de organen/weefsels in rekening brengen. De
effectieve dosis (E) is gedefinieerd als ‘de som van de geweegde equivalente dosissen voor
bestraalde weefsels of organen’, in formulevorm:
E  wR wT DR ,T
49
Dit is een sommatie van de bestralingen per weefsel/orgaan en per stralingssoort. Deze wordt
eveneens uitgedrukt in de eenheid J/kg en wordt ook sievert (Sv) genoemd.
In een voorbeeld wordt de formule duidelijker. Bij een thoraxopname ontvangen de longen,
borsten en schildklier alle 1 mSv. De effectieve dosis E is dan:
E = wlong * wR * DR,T + wborst * wR * DR,T + wschildklier * wR * DR,T
= 0.12 * 1.0 * 1mSv + 0.05 * 1.0 * 1mSv + 0.05 * 1.0 * 1mSv = 0.22 mSv
Het woord dosis wordt zowel gebruikt voor geabsorbeerde dosis, equivalente dosis als voor
effectieve dosis. Bovendien is hun eenheid (Jkg-1) hetzelfde en is de speciale naam voor de
eenheid van de equivalente- en effectieve dosis hetzelfde (Sv). Vaak valt uit de context op te
maken wat bedoeld wordt, maar even zo vaak ook niet. Het maakt echter soms veel verschil
als ‘dosis’ verkeerd wordt geïnterpreteerd. Het verdient dan ook aanbeveling om altijd de
volledige term te gebruiken.
In het KB van 20 juli 2001 is er ook nog sprake van de equivalente en effectieve volgdosis.
Deze wordt verkregen door de integraal over de tijd te nemen van de equivalente en effectieve
dosis. Voor volwassenen wordt meestal gekeken over een tijdspanne van 50 jaar, voor
kinderren is dat 70 jaar. De eenheid van volgdosis is weerom de sievert.
Figuur 4.1: relatie tussen blootstelling door een bron en de effectieve dosis ten
gevolge van die bron
50
Een andere grootheid die in de stralingsfysica nog gebruikt wordt is de exposie of blootstelling aan ioniserende
straling. Deze grootheid wordt echter nog zeer zelden gebruikt.
Met de exposie of blootstelling beschrijft men hoeveel ioniserende straling een voorwerp of persoon treft. Het
maatgetal geeft aan hoeveel ioniserende straling men blootgesteld wordt in een bepaalde tijd. Als referentie
werd hier het medium lucht gekozen. Onder invloed van de ioniserende straling ontstaan er ionisaties. De
hoeveelheid lading tengevolge van deze ionisaties is een maat voor de exposie of blootstelling aan deze
ioniserende straling.
De SI-eenheid is coulomb (eenheid van lading) per kilogram lucht (C/kg) bij standaardcondities. De röntgen
(R) is de oude eenheid.
Grootheid
Symbool
(SI-) Eenheid
Oude eenheid
Exposie
C/kg
Röntgen
Geabsorbeerde dosis
X
D
J/kg of Gy (Gray)
Rad
Equivalente dosis
H
J/kg of Sv (sievert)
Rem
Activiteit
A
Bq (becquerel)
Ci (curie)
Tabel 4.4: overzicht van de gebruikte eenheden in de stralingsfysica en stralingsbescherming
51
5. Stralingsbescherming algemeen
Vrij spoedig na de ontdekking van de röntgenstraling in 1895 begonnen de eerste ongelukken
veroorzaakt door ioniserende straling zich voor te doen. Het was dus duidelijk dat er een
behoefte was om dosislimieten vast te stellen. Afbeelding 5.1 toont hoe in de loop der tijd de
aanbevolen dosislimiet voor de werker afnam. De International Commission on Radiological
Protection (ICRP) formuleert (vrijblijvende) aanbevelingen, die meestal overgenomen worden
in de europese (en naderhand in de belgische) wetgeving. België volgt sinds het KB van 2001
de richtlijnen die de ICRP heeft aanbevolen in het rapport ICRP-60 van 1991.
Figuur 5.1: afname in dosislimietwaarden doorheen de tijd
In de stralingsbescherming komt men herhaaldelijk het ALARA-principe tegen. ALARA is
een afkorting van As Low As Reasonably Achievable (zo laag als redelijkerwijs mogelijk is)
waaraan – niet zonder betekenis – is toegevoegd ‘economic and social factors taken into
account’.
In feite zijn er drie voorwaarden waaraan voldaan moet worden wil men
ioniserende straling toepassen:
1. Rechtvaardiging van de praktijk: men mag straling niet toepassen als er een vervangende
techniek is die tot een even goed resultaat leidt, maar geen stralingsbelasting met zich
meebrengt. De voordelen van radioactiviteit en ioniserende straling moeten opwegen
tegen de nadelen.
52
2. ALARA-principe en optimalisering: de doses moeten zo laag gehouden worden als
redelijkerwijze mogelijk is. Daar bij ALARA de betekenis van de sociaal-economische
factoren uitdrukkelijk is inbegrepen, betekent dit dat er een afweging behoort te
geschieden en niet ongebreideld afscherming moet worden toegepast. In de kostenbatenanalyse moeten de kosten minimaal en de baten maximaal worden. Het ALARAprincipe is iets typisch stralingshygiënisch. Men probeert niet zo dicht mogelijk onder de
limiet te eindigen, maar zover mogelijk daaronder te blijven zolang dit sociaal of
economisch verantwoord blijft.
3. Dosislimieten: zowel voor de bevolking als voor de werknemers die door hun beroep
blootgesteld worden, zijn individuele dosislimieten bepaald. Voor beroepshalve
blootgestelde personen wordt de dosislimiet vastgesteld op 20 mSv per 12 opeenvolgende
glijdende maanden, en voor personen van het publiek is de dosislimiet 1 mSv per 12
opeenvolgende glijdende maanden.
De dosislimieten hebben twee doeleinden, enerzijds de deterministische effecten te
voorkomen en anderzijds de stochastische effecten tot een aanvaardbaar minimum te
beperken.
Tijdens bestraling met ioniserende stralen is het onvermijdelijk dat gezonde weefsels worden
meebestraald. Functionele en morfologische schade aan gezonde weefsels worden
deterministische effecten genoemd. Deze effecten treden pas op na een zekere drempeldosis.
De ernst van de schade aan gezonde weefsels tengevolge van bestraling hangt af van de dosis.
Onder stochastische effecten verstaat men die effecten waarvan de kans op inductie toeneemt
met de dosis en waarbij er in principe geen sprake is van een drempeldosis. Tot deze effecten
behoren genetische effecten en tumorinductie.
Men spreekt van genetische effecten van ioniserende straling wanneer schade die primair in
de geslachtscellen van een van de ouders werd geïnduceerd, na een of meer generaties in het
nageslacht tot expressie komt. De lange periode die verloopt tussen inductie en expressie
maakt het achterhalen van de oorzaak vaak uiterst moeilijk.
Ook voor tumorinductie geldt dat de oorzaak vaak moeilijk is vast te stellen wanneer een
toename in de frequentie van kanker wordt waargenomen. Dit komt door de lange periode
waarin de tumor groeit zonder dat deze kan gedetecteerd worden.
53
Figuur 5.1: stochastische en deterministische effekten
Voor het publiek geldt dat de limiet één twintigste is dan die toepasbaar is op beroepshalve
blootgestelde personen. Dat de deterministische limieten voor het publiek een factor twintig
lager zijn dan voor de stralingswerker, vindt zijn oorzaak in het feit van een andere
leeftijdsopbouw en van het zogenoemde ‘healthy worker effect’. De leeftijd van
stralingswerkers ligt tussen 18 en 65 jaar. Het algemene publiek omvat met name ook de
leeftijdsgroepen tussen 0 en 18 jaar waar kinderen met een mogelijk grotere gevoeligheid in
voorkomen. Ook moet met een grotere stralingsgevoeligheid door zwakkere constitutie van
de niet-werkende mens rekennig gehouden worden.
De gereedschappen en technieken om ons te beschermen tegen ioniserende straling zijn
gebaseerd op de volgende principes:
1. Duur van de blootstelling: hoe korter de blootstellingsduur, hoe kleiner de stralingsdosis
2. Afstand tot de bron: hoe verder de radioactieve bron verwijderd is, hoe kleiner de dosis
(omgekeerde kwadratenwet)
3. Afscherming en insluiting: water, glas, lood, beton en veel andere materialen schermen
straling af. Het inkapselen of insluiten van radioactieve stoffen gaat de verspreiding ervan
tegen.
54
Figuur 5.2: stralingsbeschermingstechnieken; tijd, afstand en afscherming
55
6. Bibliografie
Van Oosterom A., Oostendorp T.: Medische fysica ISBN 90-352-2353-5
Weissman F., Welleweerd J.: Stralingsfysica ISBN 90-352-1677-6
Bos A. et al.: Inleiding tot de stralingshygiëne ISBN 90-352-2260-1
Khan F.: The physics of radiation therapy ISBN 0-683-04502-4
Morris S.: Radiotherapy physics and equipment ISBN 0-443-06211-0
Friedlander G. et al.: Nuclear and radiochemistry ISBN 0-471-09961-9
Fast J.: Energie uit atoomkernen ISBN 90-70157-15-2
Vandoninck W., Van Mechelen C.: Scheikunde deel3 ISBN 90-306-0918-4
Brandt L.: Het spel der atomen, infoboek deel2
Nederlandse Vereniging voor Stralingshygiëne: Veel gestelde vragen over ioniserende
straling (NVS publicatie 25)
Hendrickx H.: cursus medische beeldvorming LUC
Belgisch Staatsblad: nr 244 - 30 augustus 2001
Interessante websites:
www.fanc.fgov.be (Federaal Agentschap voor Nucleaire Controle
www.tue.nl/sbd/straling.htm (straling en stralingsbegrippen in vogelvlucht)
www.staatsblad.be (KB van 20 juli 2001)
www.bvsabr.be (Belgische Vereniging voor Stralingsbescherming)
www.niras.be (Nationale Instelling voor Radioactief Afval en verrijkte Splijtstoffen)
56