4.2 Säteilysuojelu

FY08 Aine, säteily ja kvantittuminen

Ionisoiva säteily

  • Ionisoivalla säteilyllä on riittävästi energiaa irroittamaan atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä
    • Muuttaa aineiden kemiallisia ominaisuuksia ja voi aiheuttaa häiriöitä solujen toiminnassa
  • Sähkömagneettisesta säteilystä röntgen- ja gammasäteily (sekä osa UV-säteilystä) on ionisoivaa

Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)

Ionisoivalta säteilyltä suojautuminen

  • Säteily ei ole aistein havaittavissa
  • Säteilyn haittavaikutukset perustuvat sen siirtämään energiaan
  • ASE-muistisääntö säteilyltä suojauduttaessa
    • Aika säteilyn vaikutuksessa
    • Suojien käyttö
    • Etäisyys säteilyn lähteeseen

Gammasäteilyn ja aineen vuorovaikutus

  • Gammasäteily vuorovaikuttaa aineen kanssa kolmella tavalla       
    • Valosähköinen ilmiö
    • Comptonin sironta
    • Parinmuodostus
  • Vuorovaikutustapahtuman esiintymis-määrä riippuu ytimen järjestysluvusta ja gammasäteilyn energiasta

Kuva: YTL

  • Parinmuodostuksessa fotoni vuorovaikuttaa atomiytimen kanssa ja muuttuu hiukkaseksi ja sen antihiukkaseksi
    • Fotonin energia muuttuu hiukkasten massaksi ja liike-energiaksi
    • Reaktio voi tapahtua vain, jos fotonin energia on suurempi kuin syntyvien hiukkasten lepoenergioiden summa​

Gammasäteilyn vaimeneminen

  • Kun gammasäteilyä tulee aineeseen, fotonit vuorovaikuttavat aineen kanssa absorboituen siihen
  • Gammasäteily vuorovaikuttaa pääasiassa elektronien kanssa
    • Vaimenee parhaiten kulkiessaan raskaiden alkuaineiden läpi
  • Vuorovaikutustapahtumien kautta aineen läpäisseen säteilyn intensiteetti on heikentynyt
    • Heikkeneminen on eksponentiaalista
    • Riippuu väliaineesta ja säteilyn energiasta
I = I_0e^{-\mu x}
I = \text {väliaineen läpäisseen säteilyn intensiteetti} \ (\text W/ \text m^2)
I_0 = \text {väliaineeseen tulevan säteilyn intensiteetti} \ (\text W/ \text m^2)
\mu = \text {matkavaimenemiskerroin} \ (1/ \text m)
x = \text {väliaineen paksuus} \ (\text m)

α: etenee ilmassa n. 4 cm, iholla n. 40 µm

β: voi edetä ilmassa jopa n. 1 m

xkcd: Shielding chart

Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)

Gammasäteilyn vaimeneminen väliaineessa

Tarkista, että piirrät kuvaajaan oikean sovituksen!

\mu = 0,937 \ \frac{1}{\text {cm}}

Matkavaimenemiskerroin saadaan sovituksen kertoimesta

I = I_0e^{-\mu x}

Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)

Gammasäteilyn vaimenemiskerroin on betonissa 0,12 1/cm.

 

a) Kuinka suuri prosentuaalinen osa säteilyn intensiteetistä on jäljellä 2,0 cm betonikerroksen jälkeen?

 

b) Määritä puoliintumispaksuus eli betonin paksuus, joka saa säteilyn intensiteetin heikkenemään puoleen.

Esimerkki 1

Gammasäteilyn intensiteetti 2,0 cm:n kohdalla on

I = I_0e^{-\mu x}
\frac{I}{I_0} = e^{-\mu x}
\frac{I}{I_0} = 0,7866 \approx 0,79
\frac{I}{I_0} = 79 \ \%

Ratkaistaan säteilyn osuus alkuperäisestä tällä etäisyydellä

\frac{I}{I_0} = e^{-0,12 \ \frac {1}{\text {cm}} \cdot \ 2,0 \ \text {cm}}
\text {matkavaimenemiskerroin} \ \mu = 0,12 \ \frac {1}{\text {cm}}
\text {väliaineen paksuus} \ x = 2,0 \ \text {cm}

a)

\text {säteilyn osuus alkuperäisestä} \ \frac{I}{I_0} = \ ?

79 % säteilystä on jäljellä eli 21 % on absorboitunut betoniin.

0,5 \cdot I_0 = I_0e^{-\mu x}
0,5 = e^{-\mu x}
\ln 0,5 = -\mu x
x = \frac{\ln 0,5}{-\mu}
x = \frac{\ln 0,5}{-0,12 \ \frac {1}{\text {cm}}}

Betonin jälkeinen intensiteetti on puolet säteilyn alkuperäisestä intensiteetistä.

x = 5,77622 \ \text {cm} \approx 5,8 \ \text {cm}
\text {matkavaimenemiskerroin} \ \mu = 0,12 \ \frac {1}{\text {cm}}
\text {betonin paksuus} \ x = \ ?

b)

\text {säteilyn osuus alkuperäisestä} \ I = 0,5 \cdot I_0

Säteilysuureita

  • Absorboitunut annos D, yksikkö gray (Gy)
    • Ilmoittaa säteilyn luovuttaman energian kilogrammaa kohti (J/kg)
  • Ekvivalenttiannos H, yksikkö sievert (Sv)
    • Absorboitunut annos kerrottuna säteilyn painotuskertoimella (summa)
    • Huomioi, millaisesta säteilylajista on kyse
    • Kertoo kudokseen tai elimeen kohdistuneen säteilyn biologisen vaikutuksen
  • Efektiivinen annos, yksikkö sievert (Sv)
    • Ekvivalenttiannosten kudosten painokertoimilla painotettu summa
    • Ilmoittaa koko kehoon kohdistuneen säteilyn määrän

Esimerkkejä säteilyannoksista

Kuvat: MAOL-taulukot (Otava)

Kuva: 9gag.com

Säteilyn suorat terveysvaikutukset

  • Varmoja haittavaikutuksia, jotka johtuvat laajasta solutuhosta
    • Solukuolemat
  • Liittyvät hyvin suuriin kerta-annoksiin
    • Esim. vakavat onnettomuudet tai sädehoito
  • Säteilyannoksen jäädessä kynnysarvon alapuolelle ei näitä haittavaikutuksia synny ollenkaan
    • Säteilyannoksen ollessa tarpeeksi suuri haitta on varma
  • Annosnopeus (Sv/s) vaikuttaa ratkaisevasti sekä kynnysarvoon että haitta-asteeseen
    • Jos suuri säteilyannos saadaan pitkän ajan kuluessa, kynnysarvo haitan kehittymiselle on korkeampi ja haitta jää pienemmäksi
  • Suuruusluokkia:
    • 1 Sv: väsymys, pahoinvointi, muutokset verenkuvassa
    • Yli 3 Sv: 50 %:n todennäköisyys kuolla muutaman viikon sisällä

Stokastiset eli satunnaiset haitat

  • Syöpä, perinnöllinen haitta
  • Tilastollisia haittavaikutuksia, jotka johtuvat satunnaisesta geneettisestä muutoksesta yhdessä solussa
    • Ei siis synny kuolleesta solusta
  • Vaikutukset voivat periaatteessa saada alkunsa miten pienestä altistuksesta tahansa
    • Ei kynnysarvoa
  • Koko elinaikana kertynyt kumulatiivinen annos määrää kokonaisriskin
  • Tulevat ilmi vasta vuosien kuluttua

Säteily ympäristössä

  • Ihminen altistuu säteilylle koko ajan
    • Suurin osa säteilystä tulee maaperän radonista
    • Säteilyä tulee myös avaruudesta
  • Lääketieteessä käytetään isotooppikuvauksissa β-aktiivisia ytimiä merkkiaineina (Tc-199, F-18, I-123)
    • Tyypillinen säteilytyyppi on kuvantamisessa käytetty röntgensäteily
  • Ihmisen oma radioaktiivisuus: K-40 (luusto), Cs-137 ja Sr-90 (ruoan mukana, Tšernobyl)
  • Sisäisellä säteilyllä tarkoitetaan elimistöön joutunutta säteilyä
    • Säteily kulkeutuu elimistöön hengityksen tai ruoan mukana

Säteilyn käyttö lääketieteessä

Ihmisen oma radioaktiivisuus

Säteilyn terveyshaittojen torjuminen

Kuva: STUK

Suomalaisen keskimääräinen säteilyannos

Yhteensä n. 5,9 mSv (vuonna 2018)

Radon Rn-222

  • Näkymätön, hajuton jalokaasu
  • Alfa-aktiivinen, puoliintumisaika 3,8 d
  • Radon siirtyy maaperästä kaivoveteen ja asuntojen sisäilmaan
    • Määrä vaihtelee paikkakunnittain
  • Sisäilman radon on toiseksi merkittävin keuhkosyövän aiheuttaja tupakoinnin jälkeen
  • Asunnon sisäilman radonpitoisuus max 300 Bq/m³ (uusissa 200 Bq/m³)

Radon Suomessa

Kuva: STUK

Säteily ympäristössä

  • Säteilyturvakeskus (STUK) valvoo Suomessa esiintyvää säteilyä ja vastaa kaikkiin säteilyyn liittyviin kysymyksiin
  • Muuta käyttöä:
    • Teollisuudessa käytetään apuna säteilyn vaimenemista kappaleita tutkittaessa
    • Palovaroittimen toiminta: Am-241 alfa-lähde
  • Säteilyltä voidaan suojautua:
    • Vähentämällä oleskeluaikaa säteilylähteen läheisyydessä
    • Lisäämällä etäisyyttä
    • Käyttämällä suojia
    • Varomalla kontaminaatiota
    • (Jodin käyttö lääkkeenä säteilyonnettomuuden yhteydessä, jodin kertyminen kilpirauhaseen)

Säteilytilanne tänään

Radonmittauksen tilaus