Il particolare interesse per i temi riguardanti, la radiochimica e la scienza nucleare (vedi articoli precedenti Food Irradiation e Radioattività), mi hanno spinto ad approfondire ulteriormente questo argomento, introducendo il tema della dosimetria delle radiazioni ionizzanti.
La particolare pericolosità delle radiazioni ionizzanti, che si manifestano con importanti effetti biologici, fisici e chimici, ha stimolato la necessità di determinare e quantificare l'energia assorbita da un materiale irraggiato (come il corpo umano) per ottenere una correlazione quantitativa e qualitativa tra la radiazione e gli effetti prodotti.
La determinazione di queste grandezze definisce il campo della dosimetria.
Questa trova applicazione pratica in campo industriale con lo scopo di controllare e verificare la qualità di un processo industriale (es. Food Irradiation);
un compito particolarmente importante della dosimetria è rivolto alla radioprotezione dell'uomo.
Quando si parla di radionuclidi come sorgenti di radiazioni, è opportuno comprendere alcune grandezze che descrivono il fenomeno della radioattività.
Allo scopo si definisce l'intensità della sorgente radioattiva col numero di disintegrazioni nell'unità di tempo (attività, A):
A = dN / dt
Dove dN è il numero di transizioni nucleari che avviene nell'intervallo dt. Nel S.I. l'unità di misura dell'attività è il Becquerel (Bq), mentre precedentemente si utilizzava il Curie (Ci):
1 Bq = 1 dps (disintegrazione per secondo)
1Ci = 3.7 1010 Bq
Il modo più semplice per descrivere un campo radiazioni, è quello di descrivere la capacità di una radiazione elettromagnetica (raggi X e ) di produrre ionizzazione in aria.
A questo scopo si usa il termine Esposizione (X) definito dalla relazione:
X = dQ / dm
Dove dQ è il valore assoluto della carica totale, prodotti in aria, liberati dai fotoni nell'elemento di volume d'aria di massa dm.
Nel S.I. l'esposizione si esprime in Coulomb per Chilogrammo (C Kg-1), mentre precedentemente si esprimeva in Roentgen R):
1 R = 2.58 10-4 C Kg-1
Poiché i processi di cessione di energia sono di natura discreta, i valori delle quantità usate per descriverli sono soggetti a fluttuazioni statistiche.
Risulta, pertanto, l'uso di grandezze fisiche definite in termini statistici, in altre parole di grandezze stocastiche.
Risulta, in ogni caso, fondamentale riferirsi alla dose assorbita.
Per definizione è il rapporto tra il valore medio di energia ceduta dalla radiazione e la massa del corpo in esame.
L'unità di misura usata nel S.I. è il Gray (Gy):
D = E / m = 1 Joule / Kg =1 Gy
la precedente unità di misura per la dose era il rad definito come:
1 rad = 100 erg / g
1 Gy = 100 rad
L'intensità (o rateo) di dose assorbita è definita come:
D" = dD / dt (Gy s-1)
Nella particolare tematica della radioprotezione dell'uomo, nel corso degli anni si sono affinate le grandezze dosimetriche per descrivere in modo sempre più appropriato ed approfondito l'impatto delle radiazioni ionizzanti nei confronti del corpo umano.
Tralasciando i concetti di geometria, vie d'assunzione, aspetti metabolici ed ecc., che non sono l'oggetto di quest'articolo, la qualità della radiazione e la radiosensibilità dei diversi organi e/o tessuti sono alcuni parametri che sono utili a questo scopo.
Per prima cosa, si osserva che a parità di energia, i raggi ed i neutroni interagiscono i modo differente con la materia, come ad esempio una cellula.
I raggi sono responsabili di un danno uniforme nei confronti del materiale cellulare, l'elevata penetrabilità dei neutroni permette un danno di entità minore.
Ne consegue la necessità di correggere i dati di dose assorbita in
funzione della natura delle radiazioni che colpivano il corpo umano,
particolarmente utile nel trattamento di dosi accidentali.
Il valore di dose che risulta, dose equivalente H, si calcola mediando
con un fattore di qualità (wR) relativo alla radiazione:
H = D * wR H espresso in Sievert (Sv) nel S.I.
I valori di wR sono stati raccolti e tabulati (tabella 1) in protocolli e direttive internazionali da parte di vari Enti che si occupano di radioprotezione.
Il loro valore è ricavato considerando il Linear Energy Transfer (L.E.T.), espresso come la quota di energia che la radiazione cede per unità di lunghezza.
RADIAZIONE WR
Elettroni, muoni di tutte le energie 1
Neutroni energia < 10 keV 5
10 keV - 100 keV 10
100 keV - 2 MeV 20
2 MeV - 20 MeV 10
> 20 MeV 5
Particelle , frammenti di fissione, nuclei pesanti 20
Tabella 1. Esempio di valori di wR.
È importante porre l'accento che H, a differenza di D, non è una grandezza fisica. Il fattore di correzione è un valore ponderale, H non si misura direttamente con uno strumento come i dosimetri.
Decenni di ricerca e di raccolta di dati biologici hanno permesso di conoscere la differente tollerabilità degli organi e tessuti nei confronti delle radiazioni.
Questo progresso ha spinto ad introdurre un nuovo fattore di peso, wT, per mediare l'entità della dose assorbita (dose equivalente in un organo o tessuto):
H = D * wT H espresso in Sievert (Sv)
I valori di wT sono anch'essi tabulati (tabella 2) da Enti di radioprotezione.
ORGANO O TESSUTO WT
Gonadi 0.20
Midollo osseo (rosso) 0.12
Stomaco 0.12
Mammella 0.05
Cute 0.01
Altri tessuti 0.05
Tabella 1. Esempio di valori di wT.
Risulta, quindi, semplice calcolare una dose efficace, risultante dagli effetti stocastici mediata su diversi tessuti e tipo di radiazione:
La dosimetria e la radioprotezione, si evolvono alla ricerca ed allo studio di modelli che simulino la distribuzione delle radiazioni sul corpo umano in diverse situazioni.
L'uso di queste ricostruzioni porta ad introdurre nuovi e sempre più aggiornati coefficienti e dati che descrivano, ad esempio, la distribuzione dei danni radiologici e l'entità di tali interazioni con il materiale biologico, sull'uomo, ma anche la geometria di irraggiamento che risultano particolarmente utili anche in campo industriale.
Bibliografia
In queste pagine sono stati illustrati i termini principali e più
semplici, utili per introdurre i concetti di dosimetria che sono
applicati nel campo della radioprotezione.
I vari testi di dosimetria, radiochimica e radioprotezione sono utili per approfondire l'argomento.
Decreto Legislativo n. 241/00 e s.m.i.;
ICRP n. 60, n. 74 "Recommendations of the International Commission on Radiological Protection";
ICRU Report n. 39, n. 43, n. 47, n. 51;
M. Peliccioni, "Overview of fluence to effective dose and fluence to ambient dose equivalent conversion coefficients for high energy radiation", Radiation Protection Dosimetry, Vol. 88, N. 4, 2000.