Ioniserende stråling

Ioniserende stråling er stråling som i motsetning til ikke-ioniserende stråling har stor nok energi per kvant til å ionisere et atom eller molekyl. Det kan enten være elektromagnetisk stråling eller partikkelstråling (for eksempel elektroner, protoner, nøytroner eller andre partikler). Røntgenstråling er ioniserende stråling og det samme er stråling fra radionuklider eller radioaktive kilder. Grensen mellom ioniserende stråling og ikke-ioniserende stråling går ved ultrafiolett stråling, grensen er imidlertid diffust avgrenset.

Røntgenstråling kan brukes til å identifisere skjulte brudd.

Ioniserende stråling som fotoner vekselvirker med materie ved fotoelektrisk effekt, Comptoneffekt og pardannelse og danner ioner. Elektroner eller andre partikler vekselvirker med materie og ioniserer det. Partiklene må være over en viss energi for å kunne ionisere og kunne kalles ioniserende stråling.

Radiometri

Radiometriske størrelser karakteriserer strålefelt i målinger, i undersøkelser og ved bestemmelse av effekter fra stråling.

Det er to generelle størrelser for strålefelt: antallet partikler, N og stråleenergien, R. N er antallet av partikler som er utsendt, overført eller mottatt og er ubenevnt. R er energien (uten hvileenergi) til en partikkel som er utsendt, overført eller mottatt. Enheten er J eller eV. For et felt av partikler med energi E er stråleenergien, R, lik produktet NE, R=NE.

Fluensen, Φ, er forholdet mellom dN og da der dN er antallet partikler som kommer vinkelrett inn mot et areal da rundt et punkt P. Planet da kan bevege seg fritt rundt P for å fange alle partikler vinkelrett på deres bevegelse og former kulen av det roterende planet da. Φ=dN/da. Enhet er m^-2. Den inverse fluensen, 1/Φ, er forholdet mellom da og dN.

Energifluensen, Ψ, er forholdet mellom dR og da der dR er stråleenergien som kommer inn mot en kule med tverrsnitt da, Ψ=dR/da=dNE/da. Enheten er Jm^-2.

Vekselvirkning

Stråling vekselvirker med materie i forskjellige prosesser. I en slik prosess vil en innkommende partikkel endre energi og/eller retning, og partikkelen kan bli absorbert. En vekselvirkning kan bli fulgt av utsending av en eller flere sekundære partikler. Sannsynligheten for slike prosesser karakteriseres med vekselvirknings-koeffisienter. Disse beskriver spesielle vekselvirkningsprosesser avhengig av strålingenes type og energi, og målets materiale. Den fundamentale vekselvirkningskoeffisienten er virkningstverrsnittet. Konseptet kan forstås ved at strålingen kan se et areal (virkningstverrsnitt) hvis det krysser igjennom et vekselvirkningssenter, og derved gi anledning til en vekselvirkning. Virkningstverrsnittet beskriver strålingens natur, og kvantifisering av strålingen bygger på denne naturkonstanten.

Virkningstverrsnittet, σ, for en bestemt vekselvirkning produsert av en innkommende ladd eller uladd partikkel av en bestemt type og energi er forholdet mellom N og Φ, der N er gjennomsnittlig antall av slike vekselvirkninger per målentitet som følge av partikkelfluensen, Φ, σ=N/Φ. Enheten er m². Virkningstverrsnittet er N ganger 1/Φ eller antall vekselvirkninger ganger areal per innkommende partikkel. Dette er illustrert i figur 2 der fotoner med to energier skal krysse en vannvegg. Fotoner med lave energier ser store virkningstverrsnitt, mens fotoner med høye energier ser vesentlig mindre areal for vekselvirkning.

Massesvekkingskoeffisienten, μ/ρ, til et materiale for uladde partikler av en gitt type og energi er forholdet mellom dN/N og ρdl, der dN/N er den midlere brøkdel av partikler som vekselvirker når det går gjennom en lengde dl i materialet med tetthet ρ, μ/ρ=1/(ρdl)dN/N. Enheten er m²kg^-1. Massesvekkingskoeffisienten kan også uttrykkes som en funksjon av virkningstverrsnitt, σ, og N_A/M der N_A er Avogadros tall og M er den molare massen til målmaterialet, μ/ρ=(N_A/M)σ. μ er den lineære svekkings-koeffisienten. Enheten er m^-1.

Masseenergioverføringskoeffisienten, μ_tr/ρ, til et materiale for uladde partikler av en gitt type og energi er forholdet mellom dR_tr/R og ρdl, der dR_tr er den midlere energien som er overført til ladde partiklers kinetiske energi fra uladde partikler av den innkommende stråleenergien R som har gått en avstand dl i materialet med tetthet ρ, μ_tr/ρ=1/(ρdl)dR_tr/R. Enheten er m²kg^-1. En del g av den kinetiske energien som overføres til de ladde partiklene, blir i gjennomsnitt tapt til stråleprosesser (bremsestråling, annihilasjon og fluoressens) mens de ladde partiklene kommer til ro i materialet. Produktet av μ_tr/ρ og (1-g) kalles masseenergiabsorpsjonskoeffisienten, μ_en/ρ, til materialet for uladde partikler, μ_en/ρ=μ_tr/ρ(1-g).

Massestoppeevnen, S/ρ, til et materiale for ladde partikler av en bestemt type og med en bestemt energi er forholdet mellom dE og ρdl, der dE er gjennomsnittlig energitap av de ladde partiklene mens de går en avstand dl i materialet med tetthet ρ, S/ρ=1/(ρdl)dE. Enheten er m²kg^-1.

USAs nasjonale institutt for standarder og teknologi (NIST) har en hjemmeside med vekselvirkningskoeffisienter.

Den midlere energien som trengs i en gass til å lage et ionepar, W, er forholdet E på N, der N er midlere total frigjort ladning fra ladde partikler av begge tegn dividert med elementærladningen, når den initiale kinetiske energien, E, til en ladd partikkel som kommer inn i gassen, blir fullstendig opptatt i den, W=E/N. Enheten er J eller eV. W for luft er fastsatt av CCRI til å være 33,97±0,07 eV for ⁶⁰Co stråling.

Dosimetri

Dosimetri er teorien og anvendelsen av prinsipper og teknikker til måling av dose fra ioniserende stråling. Dosimetri er spesielt viktig i strålebehandling av kreft. Etter at kreften er lokalisert og en har gode 3D-bilder av kroppen med kreften og organer rundt foretas en doseplanlegging. Pasienten legges på behandlingsbord og strålekilden kan innstilles og kjøres nøyaktig slik doseplanen foreskriver. Ti sykehus i Norge utfører strålebehandling av kreft.

Dosimeter

Et dosimeter er et instrument for måling av ioniserende stråling, og kan være basert på ulike måleprinsipper avhengig av formål (strålingstype, energi, mengde). Vanligste prinsipper er basert på enten ionisasjonskammer, Geiger-Müller-rør, scintillasjonsteller eller termoluminescense (TLD).

Bruk av ioniserende stråling

Medisinsk bruk av ioniserende stråling omfatter behandling, avbildning og funksjonsbeskrivelse.

Strålebehandling av kreft er en viktig behandlingsform som har god terapeutisk effekt. Årlig behandles over 11 000 pasienter i Norge. Behandlingen foregår ved hjelp av maskiner som gir elektroner og fotoner som rettes mot kreftcellene og dreper dem.

Røntgenstråling brukes til å avbilde kroppen for å finne sykdom (røntgendiagnostikk) eller veilede under behandling, for eksempel ved hofteoperasjoner eller hjerteoperasjoner. Den mest brukte undersøkelsesteknikken med røntgen er CT (Computertomografi).

Nukleærmedisin er en egen spesialitet innenfor medisin som handler om bruk av åpne radioaktive stoff for å finne og behandle sykdom.

Industriell bruk av ioniserende stråling er tilknyttet ikkedestruktiv testing som for eksempel av sveiseskjøter og andre mekaniske konstruksjoner. Den ioniserende strålingen fra radioaktive kilder brukes i nivåvakter i lagersiloer og i flatevekter for å bestemme mengder som går på et transportbånd.

I oljeleting brukes ioniserende stråling til å få informasjon om reservoarene. Radioaktive kilder heises ned i borestrengene sammen med måleinstrumenter for ioniserende stråling.

Størrelser og enheter

Måleenheten for absorbert dose er gray (Gy). Dette er en fysisk målestørrelse, og grunnleggende for forståelse av ioniserende stråling.

Måleenheten for doseekvivalent er sievert (Sv). Doseekvivalent har mange undergrupper av størrelser.

Miljødoseekvivalent er størrelsen som håndinstrumenter viser i enheter av Sv, eller Sv per time. Ofte da i µSv/h.

Persondosimetre måler i størrelsen persondose-ekvivalent. Det måles over en periode på 2 måneder og rapportene angir dosen i µSv.

Under typetesting av person-dosimetre, håndmonitorer og andre instrumenter benyttes retningsdoseekvivalent til å karakterisere instrumentene. Denne størrelsen har også enheten Sv.

Effektivdose blir brukt som en størrelse til å beregne risiko fra medisinske undersøkelser og optimalisere undersøkelser slik at en finner en undersøkelse som gir mest informasjon til minst risko. Effektivdose beregnes fra organdoser som måles i Gy. Enheten til effektivdose er Sv.

Effekter på helse

Negative helseeffekter ved bestråling deles inn i akutte såvel som kroniske effekter.

Akutte effekter oppstår først ved høyere stråledoser og fører til strålingssyke med massiv denaturering av kroppens organer med diaré og omfattende skader på beinmargen som gir immunsvikt og som kan føre til systemisk infeksjon med påfølgende organsvikt. Tilstanden har flere elementer som alle er livstruende.

Man sier at ioniserende stråling er karsinogenetisk det vil si at strålingen trenger inn i kroppens celler og gjør skader på arvematerialet, noe som fører til mutasjoner ved celledeling og som dermed kan gi opphav til kreft.

For mennesker er det en klar sammenheng mellom effektiv dose og risiko for å utvikle kreft. Risikoen er avhengig av alder og de organer som blir bestrålt. Yngre er mer utsatt enn eldre, og spesielt utsatte organer er øyelinser, bryster og skjoldbruskkjertel og gonader. En hovedregel for risiko der en har midlet over alle aldre og alle forhold, er at risiko for dødelig kreft er 5 % per Sv eller 0,005 % per mSv. Sv skal bare brukes for små doser

Eksterne lenker

• Statens strålevern [1]
• UiO Biofysikk [2]
• NTNU Biofysikk [3]
• BIPM International metrology in the field of Ionizing Radiation
• NIST Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for Elements Z =1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest.
• NIST Stopping-Power and Range Tables for Electrons, Protons, and Helium Ions.