Dosimetria retrospettiva tramite misura con tecniche EPR, TL e OSL
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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