1Del A: Stråling og Radioaktivitet
For det meste handler strålingsbeskyttelse og strålehygiejniske protokoller om sund fornuft, når man håndterer radioaktive isotoper og strålekilder. Hvis man har kendskab til strålings grundlæggende fysiske principper, og er klar over hvor der findes radioaktive kilder, er man i god stand til at vurdere, hvad der er, eller ikke er, farligt, og så på denne grund tage ansvar for sig selv og for andre. For at opnå et grundlæggende kendskab til strålings egenskaber, handler del A af denne guidelines om de forskellige strålingers fysiske egenskaber, deres vekselvirkning med stof og principperne bag detektorer for måling af stråling og radioaktivitet. Det er ikke meningen at give en fuld matematisk beskrivelse, men at diskutere forskellige idéer og processer, der er vigtige. Med denne baggrundsinformation, har læseren forhåbenligt et godt startpunkt for at forstå kravene for strålingsbeskyttelse, strålehygiejniske protokoller, og lovkrav der findes på en nuklearmedicinsk afdeling. For yderligere oplysning, og videregående matematiske beskrivelser af fysikken, henvises læseren til lærebøger om strålingsfysik, kernefysik eller strålings- biofysik. Del B af denne guidelines forklarer reglerne og protokollerne der findes på nuklearmedicinsk afdeling i Herning og Holstebro.
1.1Fysik principper 1.1.1Hvad er ….? Vigtig terminologi – kort sagt
Der bruges mange ord når man diskuterer strålehygiejne og strålingsbeskyttelses metoder. Dagligt er mange ord, som har små nuancer i deres betydning, brugt enstydig for hinanden; men i realiteten betyder de forskellige ting. I denne guidelines, prøver jeg at bruge det korrekte ord for det jeg vil sige, men jeg indrømmer at jeg godt kan komme til at bruge et ”forkert” ord en gang i mellem!
Følgende er en (kort) forklaring af den meste brugte terminologi, som er vigtig at forstå hvis man vil holde en meningsfuld samtale med andre indenfor nuklearmedicin, radiologi eller strålingsbeskyttelse:
Stråling:
Stråling er overførselen af energi gennem luften eller det tomme rum i form af elektromagnetiske bølger eller partikler. Der findes forskellige former for stråling: alfa, beta, protoner eller neutroner, som er eksempler på partikel stråling, eller den som vi måske tænker på til daglig: synligt lys, ultraviolet lys, radiobølger osv., som er eksempler på elektromagnetisk stråling. I visse former er stråling skadelig for levende organismer.
Når stråling passerer igennem et materiale kan den vekselvirke, f.eks. i biologisk væv. Hvis strålingen har energi nok til at ionisere atomer i materialet, dvs. fjerne elektroner fra atomerne, kaldes den for ioniserende stråling. Det er denne type stråling vi er bekymret for med hensyn til strålingsbeskyttelse - men til gengæld er den et uundværligt hjælpemiddel ved medicinsk diagnostik og terapi.
Radioaktivitet:
Radioaktivitet er stråling, der udsendes i forbindelse med radioaktivt henfald, fra visse grundstoffer som skyldes ændringer i stoffets atomkerner. Strålingen kan bestå af alfa, beta eller gamma stråling m.fl..
Radioaktiv:
Radioaktiv betyder: ”som har at gøre med radioaktivitet”. Noget er radioaktivt hvis den udsender radioaktivitet f.eks. radioaktivt affald.
En elektron volt (eV):
I fysik er enheden for energi ”Joule”en, som er baseret på de grundlæggende enheder af masse (Kg), længde (m) og tid (s), som 1 J = 1 Kg.m2.s-2. Én Joule er en stor mængde energi. Men de absolutte energimængder der findes ved stråling og atomer er meget små. Derfor når vi beskriver stråling, er det sædvanligt at snakke om en ”elektron volt” (og mangefold elektron volts), som en speciel enhed for en fotons/partikels energi.
Definitionen af en elektron volt er baseret på den opnåede energi en elektron, der har en ladning ’e’, får når den falder gennem en potentiel forskel på 1 volt1. Ladningen af elektronen er e = 1,60210-19 Coulombs, derfor er 1 elektron volt lig med 1,60210-19 (C) 1(V) = 1,60210-19 Joules. Dette er et meget lille tal, der passer med energierne vi er interesseret i. Derfor er det langt mere praktisk at bruge enheden eV når man er interesseret i atomare, kerner og strålings energier. Der findes også mangefold terminologi for elektron volts, f.eks. indenfor nuklearmedicin taler vi tit om 140 keV fotoner fra technecium-99m, hvor en keV (”kilovolt”) = 1000 eV. Andre enheder er:
Tabel 1: elektronvolt enheder
elektron volts
|
symbol
|
Navn
|
Joules (J)
|
1 (100)
|
eV
|
Elektronvolt
|
1,60210-19
|
1000 (103)
|
keV
|
Kiloelektronvolt
|
1,60210-16
|
1000000 (106)
|
MeV
|
Megaelektronvolt
|
1,60210-13
|
1000000000 (109)
|
GeV
|
Gigaelektronvolt
|
1,60210-10
|
1.1.2Det Elektromagnetiske spektrum
Der findes mange forskellige typer elektromagnetisk stråling – synligt lys, gamma, røntgen, radiobølger, mikrobølger osv. Men fysisk set er de faktisk meget ens! Fra den moderne fysiks synspunkt kan elektromagnetisk stråling beskrives som bølger eller som partikler, med fysiske egenskaber: energi, impuls, bølgelængde og frekvens. Sammenhængen mellem egenskaberne er:
 ,
h vor E er energien, p er impulsen, er frekvensen, er bølgelængden, c er lyshastigheden som er konstant (3108m/s), og h er en fysik konstant, som hedder Planck’s konstant (6,6310-34 Js). Derfor har høj energi stråling en høj frekvens, der svarer til en kort bølgelængde, og modstat har lav energi stråling en lav frekvens, der svarer til en lang bølgelængde.
Elektromagnetiske bølger eksisterer i et uafbrudt spektrum, der dækker mangefold frekvens dekader, fra radiobølger (lav energi, lav frekvens og lang bølgelængde), til røntgen- og gammastråling (høj energi, høj frekvens og kort bølgelængde). Figur 1-1 viser forskellige energi, og tilsvarende frekvens områder, for forskellige typer elektromagnetisk stråling. Synlig stråling, som vi ser til daglig, har en energi af få elektronvolts, mens røntgen og gamma stråling har energier større end henholdsvis 1000 og 10000 elektronvolts (keV områder); dvs den eneste fysiske forskel mellem forskellige strålings typer er deres energi, og derfor deres bølgelængder/frekvenser. Synligt lys er synligt på grund af, at strålingens energi ligger i et område vores øjne kan detektere, vi kan ikke se ultraviolet og infrarød stråling pga. vores øjne (strålings detektorer) ikke kan registrere disse frekvenser. Ligeså kan vi ikke ”se” røntgen eller gamma stråling, pga. frekvensen er for høj – der kræves et gammakamera eller en røntgen detektor for at ”se” disse strålings frekvenser.
Fotonen
E
Figur 1 1: elektromagnetisk spektrum
lektromagnetisk stråling er overførelsen af energi. Klassisk fysik siger at energien overføres som en bølge, og at bølgen kan have en hvilken som helst energi (frekvens), der ligger i et uafbrudt spektrum (Figur 1-1). Moderne fysik (kvantemekanik) siger at energien overføres som et ”kvantum” af energi, og at der er bestemte tilladte energi kvantetal. Det betyder at man kan tænke på stråling som overførelsen af individuelle energipakker. Disse ”pakker” kaldes fotoner, som er partikler uden ladning og uden masse. Derfor består de forskellige typer elektromagnetisk stråling af fotoner der har forskellige energier.
Denne idé, at stråling kan beskrives som bølge eller partikel, er meget vigtigt for at forklare forskellige strålingsprocesser, f.eks. vekselvirkning af fotoner med stof2, og radioaktivt henfald3.
Forskel mellem røntgen og gammastråling?
I radiologi og nuklearmedicin er vi normalt interesseret i de højere-energi fotoner; dem som har energier i området keV. Det er typisk at strålingen der findes på en nuklearmedicinsk afdeling har højere energi end strålingen der bruges til røntgen undersøgelser, og konventionen er at vi snakker om gammastråling til nuklearmedicinske undersøgelser, og røntgen stråling til røntgen undersøgelser.
Historisk forskel:
I dag findes der en historisk grund til at vi tænker på forskellige strålings typer; røntgen eller gamma. Røntgen stråling blev opdaget i 1895 af Wilhelm Röntgen, da en fotoplade blev eksponeret af en usynlig og ukendt stråle under et eksperiment med et elektrisk udladningsrør. Disse ukendte stråler blev kaldt røntgen stråling (x-rays på engelsk) efter Wilhelm Røntgen. Pga. strålingens evne til at trænge igennem stof og vise billeder af gemte indvendige objekter, blev metoden med det samme indført til medicin for at tage anatomiske billeder af skelettet/kroppen. Næsten på samme tid, i 1896, blev radioaktivitet opdaget af Henri Becquerel, og radioaktiv radium af Marie og Pierre Curie. Det blev konstateret at radioaktivitet består af forskellige type stråling, som kaldes alfa, beta eller gamma, efter de første 3 bogstaver i det græske alfabet. Det var først i den 20 århundrede, med opfindelsen af kvantemekanik, at det blev forstået at forskellige typer elektromagnetisk stråling faktisk er lig; undtagen deres energi, og derfor frekvens og bølgelængde4. Det betød at både røntgen og gamma stråling er faktisk navne for den samme fysiske elektromagnetiske stråling.
Fysisk forskel:
Hvis man har en røntgen og en gamma foton der har samme energi, kan man se en forskel? Fotoner der har samme energi har samme frekvens og bølgelængde. Dette betyder at de to fotoner vekselvirker med stof på lige nøjagtigt samme måde, og derfor kan detekteres på samme måde – fysisk set kan vi ikke se en forskel.
Men, fotonerne skal ”dannes”, og det er først her at vi kan forstå en forskel mellem strålingernes typer – atomiske/kerne processerne der udsender røntgen eller gamma fotoner, er forskelligt. Konventionen er at røntgen stråling bliver udsendt fra processer der stammer fra omorganisering af atomare elektroner, og gamma fotoner bliver udsendt under processer der involverer nukleare (kerne) partikler. Fordi der normalt forekommer lavere energier i forbindelse med atomare omdannelser end ved kerne omdannelser, kan vi forstå hvorfor røntgen stråling typisk har en lavere energi end gamma stråling.
|
