Dosimetria retrospettiva tramite misura con tecniche EPR, TL e OSL

Dosimetria retrospettiva tramite misura
con tecniche EPR, TL e OSL dei danni
fisici indotti dalle radiazioni negli oggetti
personali
Emanuela Bortolin, ISS Roma
48° Corso della Scuola Superiore di Radioprotezione
«Carlo Polvani»
Dopo un incidente radiologico in cui molti civili (sprovvisti di
dosimetri convenzionali) sono stati potenzialmente esposti a
radiazione o a materiale radioattivo, le autorità avranno bisogno di
identificare rapidamente gli individui che sono stati esposti da
quelli che non lo sono stati.
uso deliberatamente ostile di sorgenti (preoccupazione crescente dal 2001)
Dosimetria fortuita
La popolazione civile non indossa dosimetri
fisici, ma sicuramente ha sempre con sé
oggetti personali che possono essere usati
come dosimetri fortuiti. Su questa scia negli
ultimi anni è emersa una nuova classe di
metodi basati sulla misura di danno radioindotto negli oggetti indossati dalle persone
potenzialmente esposte.
Qualsiasi materiale che acquisti proprietà luminescenti o paramagnetiche in
seguito a irraggiamento può essere utilizzato potenzialmente come
dosimetro.
Metodi fisici utilizzati
Tre metodi sono ben consolidati per misurare il danno
radioindotto in matrici solide:
-risonanza paramagnetica elettronica (EPR)
- termoluminescenza (TL)
- luminescenza otticamente stimolata (OSL)
difetto termoluminescente
(emette luce sotto
stimolazione termica)
difetto otticamente
luminescente
(emette luce sotto
stimolazione ottica)
difetto paramagnetico
(specie chimiche contenenti
uno o più elettroni spaiati)
Risonanza Paramagnetica Elettronica
(EPR)
• rivela/misura l’assorbimento di radiazione di lunghezza d’onda
opportuna da parte di elettroni disaccoppiati immersi in un campo
magnetico (effetto Zeeman)
• rivela radicali e difetti radioindotti e ne misura la concentrazione
(parametro indicativo della dose assorbita)
• non è distruttiva (si può ripetere sullo stesso campione)
• rapida
• richiede piccole quantità di campione
lo spettro di assorbimento si registra mantenendo fissa la frequenza
(microonde, circa 9 GHz) e facendo variare il campo magnetico
• per aumentare la sensibilità si utilizza
una modulazione ad alta frequenza del
campo
magnetico
applicato
e
una
rivelazione a sensibilità di fase che
consente di rivelare solo quei segnali che
sono in fase con un segnale di riferimento
riducendo il rumore di fondo.
• a causa di questa tecnica di rivelazione il
segnale non avrà la caratteristica forma
dei segnali di assorbimento ma sarà la
derivata prima di questo
l’intensità del segnale (integrale doppio o altezza picco-picco) è
proporzionale al numero di elettroni disaccoppiati (radicali o centri
paramagnetici radioindotti) ed quindi alla dose assorbita
H
Lo spettro più semplice è quello di un
radicale con un elettrone
disaccoppiato senza interazioni
nucleari.
In presenza di interazioni nucleari la
forma dello spettro risulta più
complessa per effetto dei campi locali
generati dai momenti magnetici
nucleari.
Conversione del segnale in dose
Il segnale può essere convertito in dose attraverso
• una curva di taratura ottenuta con re-irraggiamenti successivi del
campione irradiato (metodo delle dosi additive)
• una curva di taratura universale, se la variabilità di sensibilità tra i
campioni è bassa
L’altezza picco-picco del segnale è il
parametro indicativo della dose assorbita
riportato nel grafico (ESR signal
amplitude)
• Luminescenza stimolata OSL/TL
• si osserva nei solidi precedentemente
esposti a radiazioni ionizzanti
• si registra sotto stimolazione ottica
(OSL) o termica (TL)
• gli elettroni eccitati in seguito a irraggiamento
sono catturati dai difetti reticolari nel cristallo
dove rimangono intrappolati finché non
subentra uno stimolo esterno (luminoso o
termico) a liberarli.
• la valutazione dell’energia rilasciata nel
materiale dalla radiazione ionizzante avviene
mediante la rivelazione della luce emessa in
fase di diseccitazione degli atomi del cristallo
cristallo di quarzo
• l’intensità della luminescenza
registrata/emessa è proporzionale
all’energia rilasciata dalla radiazione
ionizzante nel materiale
• è parzialmente (OSL) o totalmente
(TL) distruttiva: non è possibile
ripetere la misura sullo stesso
campione
-
e
α
Si4+
O2-
,
,β
γ
O-Vacancy
Al3+
Electron
By courtesy of Clemens Woda ,Helmhotz -Zentrum Munchen
il segnale TL (glow curve) ha una forma
che è caratteristica del materiale (difetti
strutturali, impurezze)
•
l’area sottesa dalla curva è proporzionale
alla dose assorbita
•
durante la stimolazione ottica si registra
l’intensità della luce emessa in funzione
del tempo
•
•
il segnale OSL decresce esponenzialmente
nel tempo
l’area sottesa dalla curva è proporzionale
alla dose assorbita.
TL intensity (A.U.)
•
durante la misura TL (qualche decina di
secondi) il materiale viene riscaldato a
temperature via via crescenti (fino a
400°C e oltre)
1000
800
600
400
200
0
0
100
200
300
400
T(°C)
500
2500
OSL (a.u.)
•
2000
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
Conversione del segnale di luminescenza in dose
il segnale di luminescenza può essere convertito in dose attraverso una curva di
calibrazione ottenuta con re-irraggiamenti successivi del campione irradiato
•
SAR= Single Aliquot Regenerative dose: in questo modo si supera il problema della
radio-sensibilità individuale del campione
•
variazioni di sensibilità dovute al riuso (cicli ripetuti di irraggiamento-misura)
•
dose test per il controllo della sensibilità del campione
2500
1000
2000
800
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
TL intensity (A.U.)
OSL (a.u.)
•
600
400
200
0
100
200
300
400
T(°C)
L’integrale della curva è proporzionale alla
dose assorbita ed è il parametro riportato nel
grafico di taratura (signal intensity)
500
Scopo e requisiti di un dosimetro retrospettivo
Scopo della misura :
1)distinguere tra individui esposti e non (“worried well”)
2) stimare la dose a corpo intero o locale delle persone esposte per una
migliore strategia terapeutica
•
•
•
•
•
•
•
1–2 Gy
2–4 Gy
4–6 Gy
6–8 Gy
>8 Gy
Requisiti del dosimetro:
Ubiquità e facilità di raccolta – se biologico raccolta non invasiva
Preparazione semplice e rapida
Alta capacità di misura (automazione)
Segnale specifico delle radiazioni ionizzanti
Linearità della risposta in dose
Stabilità del segnale
Lieve
Moderato
Severo
Molto severo
Letale
Il dosimetro ideale non esiste … necessità di approccio multiparametrico
EPRBIODOSE
Fattibene and Wojcik (Eds.) Biodosimetric tools for a fast triage of people accidentally exposed to ionising radiation.
Ann Ist Super Sanità 2009; 45(3).
Dosimetri fortuiti
Telefoni cellulari
• vetro dei display (EPR, TL)
• componenti elettronici (resistori,capacitori) (OSL)
• resine che rivestono le chip card (OSL, TL)
• plastica (EPR)
Sigarette
• silicati contenuti nella polvere depositata sul tabacco (TL)
Gioielli, chiavi, monete,…
• silicati contenuti nella polvere depositata sugli oggetti (TL)
Indumenti
• materiali tessili naturali (cotone, lana) e sintetici (EPR)
• bottoni (EPR)
Medicinali, Caramelle: zuccheri (EPR)
Telefoni cellulari come dosimetri fortuiti
I telefoni cellulari contengono molti materiali che acquistano proprietà
luminescenti o paramagnetiche quando irradiati
Glass
EPR/TL
Electronic
components
OSL/TL
Chip cards
Plastics
EPR
p5
AIM OF MULTIBIODOSE
To analyse and validate a variety of biodosimetric tools
and adapt them to different mass casualty scenarios.
existing
new
Slide 15
p5
Ho ingrandito la cartina, peerche' se non mostri l'elenco dei partner, i nomi degli istituti in questa cartina si devono vedere bene.
paola; 02/11/2012
Progetto Multibiodose
MULTI-disciplinary BIODOSimetric tools to manage high scale radiological
casualties - 7th EU-FP Security)
(http://www.multibiodose.eu)
•avviato nel 2010 con 14 partner europei
•con l’obiettivo di sviluppare una metodologia per una risposta multi-parametrica
basata su sei tecniche di biodosimetria e di dosimetria retrospettiva considerate
idonee alla stima di dose individuale in emergenze radiologiche che coinvolgano un
elevato numero di persone
•WP5: sviluppo di un metodo basato sulla misura EPR e OSL dei difetti
radioindotti nel vetro degli schermi e nei componenti elettronici dei telefoni
cellulari da utilizzare come dosimetri cosiddetti “fortuiti”
Istituto Superiore di Sanità (ISS)
Helmholtz Zentrum di Monaco (HMGU)
Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire di Parigi (IRSN)
European Radiaion Dosimetry Group (EURADOS)
Display dei telefoni cellulari
I display dei telefoni cellulari sono
basati sulla tecnologia a cristalli
liquidi (LCD).
Lo strato di cristalli liquidi è
compreso tra due strati di vetro.
I modelli Touch screen
normalmente hanno uno o due
strati di vetro aggiuntivi.
il vetro viene frantumato all’interno di un mortaio fino ad
ottenere frammenti di piccole dimensioni (10-40 mg).
Segnale
EPRstability
nel vetro
Very high
Il vetro commerciale contiene (circa
70%) SiO2 e altri elementi in piccole
percentuali (Al, B, Na, etc)
Durante l’irraggiamento subisce
danni molecolari che possono dare
origine a centri con proprietà
paramagnetiche e quindi rivelabili
con l’EPR
SiO2
Si
O
75 modelli di telefonini esaminati
86% dei telefoni cellulari possiede almeno uno strato di
vetro sensibile alle radiazioni
5 tipi di vetro identificati
2 tipi di vetro presentano segnali radioindotti specifici
Dosimetria EPR nel vetro dei display
- il segnale di fondo (zero dose) è basso
- il segnale EPR cresce linearmente con la dose
- variabilità tra i campioni: circa il 20%
Si può applicare una
curva di taratura
Dosimetria TL nel vetro dei display
• esaminati vetri provenienti da cellulari di diverse modelli e marche
• glow curve diverse (forma e intensità) a seconda del tipo di vetro
(composizione chimica del vetro)
• risposta alla dose lineare nell’intervallo (1-10) Gy
• presenza di un segnale di fondo (zero dose)
• perdita di circa il 40% del segnale nelle prime 24 h
LCD display
Touch screen
Componenti elettronici
Capacitori
Resistori
Segnale OSL in resistori e capacitori
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Il segnale OSL nei resistori è
generato dallo strato di
ceramica
Protective coating
Resistive film
Inner electrode
Ni plating
Sn plating
Ceramic substrate
Lo strato di materiale dielettrico nei capacitori può essere rappresentato da carta,
plastica, vetro, mica o ceramica. Di conseguenza non tutti i capacitori hanno
proprietà luminescenti.
Segnale OSL di un resistore
2 Gy
Unirradiated
Dosimetria OSL con resistori
Curva dose-risposta OSL di un resistore
Curva di fading di un resistore
Tutti i componenti mostrano un fading significativo (50% in 10 giorni). La dose può
essere determinata o nel caso di una risposta immediata o correggendo per il
fading (se il tempo di esposizione è noto).
Beerten et al. Thermoluminescence dosimetry of electronic components from personal objects. Radiat Meas 44 (2009) 620–625
Inrig et al. OSL of electronic components for forensic, retrospective, and accident dosimetry. Radiat Meas 43 (2008) 726 – 730
Dosimetria luminescente con chip
– le carte dotate di chip (carte telefoniche, ID, health card, cash and credit cards) sono
state le prime fra i componenti elettronici ad essere studiate con le tecniche di
luminescenza
il segnale radioindotto proviene dalla silice della resina di
rivestimento
proprietà luminescenti molto buone con la minima dose rivelabile pari a 10-20
mGy
poche carte usano quello speciale rivestimento
Il rivestimento in plastica scura (opaca) non mostra proprietà
luminescenti
Goksu. Telephone chip-cards as individual dosemeters. Radiat Meas 37 (2003) 617 – 620
Woda and Spottl. On the use of OSL of wire-bond chip card modules for retrospective and accident dosimetry. Radiat Meas 44 (2009) 548–553
Plastica
4
MB Nokia 0 Gy
MB Nokia 50 Gy
MB Sagem 0 Gy
MB Sagem 50 Gy
MB Motorola 0 Gy
MB Motorola 50 Gy
EPR signal intensity, a.u.
3
2
1
0
-1
EPR signal intensity, a.u.
10
EG1 background
EG1 50Gy
EG2 background
EG2 50Gy
EG4 background
EG4 50Gy
5
0
-5
-2
-3
-4
-10
3440
-5
3440
3460
3480
3450
3460
3470
3480
3490
3500
Magnetic field (G)
3500
Magnetic field (G)
• segnale di fondo (sterilizzazione con
radiazioni ionizzanti ad alte dosi)
• limite di rivelazione dipendente dal tipo
di plastica
• fading: circa 50% in 20-30 ore
EPR signal intensity, a.u.
6
Sample 1 Background
Sample 1 50 Gy (t+5 hrs)
Sample 2 background
Sample 2 50 Gy (t+5hrs)
4
2
0
-2
-4
Trompier et al BIODOSE 2008
3440
3460
3480
Magnetic field (G)
3500
3510
Silicati
•
il quarzo estratto dai materiali da costruzione è stato ampiamente
utilizzato nella dosimetria retrospettiva (ICRU, 2002)
•
le miscele di quarzo e feldspati contenuti nella polvere consentono di
identificare erbe, spezie, frutta, verdura, e frutti di mare irradiati
(Standard Europei EN 1788 basato sulla termoluminescenza ed EN 13751
basato sulla luminescenza fotostimolata)
Silicati negli oggetti personali
•
•
•
•
•
i silicati possono essere raccolti anche dalla polvere depositata sugli oggetti che le
persone normalmente indossano o portano con sé, come i gioielli, gli orologi, le chiavi,
le monete, i fermagli per capelli, i portachiavi, le sigarette …
procedura di estrazione dei silicati standardizzata per le analisi sugli alimenti
irradiati (CEN EN 1788)
si estraggono miscele di silicati (quarzo e feldspati)
quantità e composizione (sensibilità alle radiazioni) delle miscele di silicati variabili a
seconda dell’oggetto
sigarette (tabacco), monete, chiavi particolarmente «sporchi» (ricchi di silicati)
miscela quarzo
e feldspati
procedura di estrazione dei silicati prevede
•«lavaggio» degli oggetti in acqua bidistillata per raccogliere i minerali contaminanti (preconcentrazione dei silicati)
•separazione in gradiente di densità per l’eliminazione dei residui organici, responsabili di segnali di luminescenza spuri.
Dosimetria TL con silicati estratti dal tabacco
•
segnali radio-indotti distinguibili dal segnale di fondo (localizzato a temperature più
elevate)
anche con una solo sigaretta si rivelano dosi fino a 100 mGy
•
segnale TL lineare fino a 10 Gy (e oltre)
•
fading (circa 50%) dopo le prime 24 ore e poi segnale stabile
•
preheating (40°C, 30-40 minuti) simula fading osservato nelle prime 24 ore
•
la procedura di estrazione richiede circa 2 ore ma si possono analizzare più campioni
in parallelo (40-50 al giorno)
0,1 Gy
1 sigaretta
120
integrale totale (a.u.)
5000
In ten sità TL (u .a.)
•
1 sigaretta
4000
3 sigarette
3000
5 sigarette
2000
1000
y = 18,109x + 8,8699
2
R = 0,9946
100
80
60
40
20
0
0
0
50
100
150
200
T(°C)
250
300
350
400
0
1
2
3
4
5
6
dose(Gy)
Bortolin et al. Silicates collected from personal objects as a potential fortuitous dosimeter in radiological emergency. Radiat. Meas. 2011
Dosimetria TL con silicati estratti da oggetti personali
la raccolta dei silicati varia a seconda dell’oggetto
le chiavi , le monete o gli accessori per capelli appaiono più “sporchi” …
ma il livello di contaminazione di un oggetto dipende oltre che dalle sue
caratteristiche fisiche (dimensioni, tipo di superficie esposta, presenza di cavità
che intrappolano la polvere…) che determinano la sua capacità di catturare la
polvere, anche dall’uso che se ne fa e, quindi, in definitiva dalle abitudini della
persona a cui appartiene
Codice
200
F
L
150
integrali TL (nC)
•
•
•
Descrizione del campione
A
Girocollo in oro con ciondolo
B
Ciondolo in oro
C
Catenina in oro con ciondoli
D
Girocollo in oro
E
Orologio in acciaio
F
Braccialetto in oro
G
Braccialetto in oro
H
Elastico per capelli
I
Chiavi
L
Monete (5 pezzi)
100
H
I
50
A
D
B
C
E
G
0
0
-50
10
Bortolin et al. Is dust a suitable material for retrospective personal dosimetry? Radiat. Meas. 2010
Indumenti
Cotone, lana, pelle e polimeri.
esempio: cellulosa nel cotone
C6H11O5-(C6H11O4)n-C6H11O5 n>1000
•presenza di segnali spuri
•limite di rivelazione dell’ordine di
1 Gy
Kamenopoulou et al. Radiat. Prot. Dosim. 1986
Viscomi et al. Radiat. Meas. 2010
Zuccheri
Di uso molto comune
in caramelle, farmaci,
chewingum
Le proprietà dipendono dal tipo di zucchero
- Lower detection limit = 0.5 Gy
- Stabile dopo 100 ore
Fattibene et al Appl.Radiat.Isot. 1996
A real case: a radiation worker accidentally exposed at the Institute for Energy Technology, Oslo. Dose
reconstructed with the sugar present in the victim’s heart tablets
Sagstuen et al H. Phys 1983
Regulla and Deffner Appl Radiat Isot 1989
Acknowledgements
The data herein presented result from the knowledge shared and acquired in
national and international collaborations sponsored by:
DOSSIER
•
•
•
•
•
•
•
•
Helmotz-Zentrum Munchen (Germany)
University of Palermo (Italy)
Clemens Woda
Albrecht Wieser
Antonio Bartolotta
Mariella Brai
Maria Cristina D’Oca
Anna Longo
Maurizio Marrale
IRSN- Fontanay Aux Roses (France)
Francois Trompier
Celine Bassinet
University of Pavia
HPA (UK)
ISS (Italy)
Kai Rothkamm EPR/OSL
Emanuela Bortolin
Cinzia De Angelis
Sara Della Monaca
Daniela Viscomi
SEM
Agnese Molinari
Annarita Stringaro
Marisa Colone
Letture:
E. Ainsbury et al. Radiat. Prot. Dosim. (December 2010)
P. Fattibene and A. Wojcik (eds.) Annali ISS 2009.
Armando Buttafava
Daniele Dondi
Antonio Faucitano
ENEA (Italy)
Antonella Testa
Dosimetria fortuita
Il processo può essere riassunto in 4 fasi
Raccolta campione
e preparazione
Misura
Conversion
segnale-dose
(nel materiale)
Stima della dose al
corpo della vittima
Stima della dose al corpo
Questi metodi di dosimetria fortuita forniscono la dose nell’oggetto.
Il calcolo della dose al corpo è un compito più complesso.
Dose in biological materials
Dose in organs
Kerma in air
Dose in
other materials