Le grandezze dosimetriche operative per il monitoraggio di area

Il monitoraggio di area in radioprotezione si effettua in ambienti dove è presente (o si suppone che lo sia) un campo di radiazioni ionizzanti. Lo scopo del monitoraggio di area è di ottenere dati dosimetrici relativi ai campi di radiazione ambientale per poter poi stimare, a partire da questi dati, il valore delle grandezze protezionistiche HT o E per le persone

eventualmente esposte a quel campo di radiazioni. Durante tali misure le persone sono di solito assenti dall’ambiente in questione e perciò l’informazione fornita dalla misura deve essere tale da consentire la conoscenza dell’equivalente di dose che si avrebbe in quel dato campo di radiazione con la persona presente. Il monitoraggio di area permette quindi di assegnare un valore di HT o di E a una persona che, o è stata

per un certo periodo esposta a quel campo di radiazioni precedentemente alla misura o potrebbe essere esposta al medesimo campo in una fase successiva alla misura, supposto che il campo di radiazioni non cambi le sue caratteristiche durante le fasi di esposizione e di misura. Le grandezze HT ed E sono riferite a una dose assorbita

media in un organo o tessuto umano, ma le misure per ottenere HT o E

non sono fatte, nel monitoraggio di area, in mezzi che simulino gli organi umani, né evidentemente all’interno degli organi medesimi. Le misure per il monitoraggio ambientale sono fatte tipicamente mediante strumenti posti in un punto in aria libera e devono poter essere poi utilizzate per ottenere valori di dose assorbita riferita a un punto in un mezzo equivalente al tessuto umano. Le grandezze di misura usate per il monitoraggio ambientale devono perciò essere correlate a una dose assorbita in un mezzo che non solo simuli le proprietà di diffusione e di attenuazione dell’organismo umano (mezzo “tessuto-equivalente”) ma che abbia forma e dimensioni che approssimano l’organo umano considerato. Un mezzo che abbia la funzione di simulare alcune proprietà del corpo umano (o di sue parti) è comunemente denotato in dosimetria come “fantoccio”. Il fantoccio adottato per definire il mezzo di riferimento delle grandezze operative per il monitoraggio di area è la sfera ICRU, introdotta dalla International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU). Si tratta di una sfera del diametro di 30

cm costituita da materiale “tessuto-equivalente”. Un materiale tessuto- equivalente è un materiale con densità e numero atomico medio uguali a quello del tessuto muscolare umano.

In generale nel contesto della dosimetria, un materiale si definisce equivalente a un altro se ha, rispetto all’altro, le medesime proprietà di assorbimento e di diffusione per un dato tipo di radiazione ionizzante in un dato intervallo di energia. Quindi il concetto di equivalenza fra due materiali non ha valore assoluto, in quanto si applica a un dato tipo di radiazione e a un dato intervallo della sua energia.

Il materiale tessuto-equivalente con cui è realizzata la sfera ICRU ha la seguente composizione (in percentuali riferite alla massa): 76,2% di ossigeno, 11,1% di carbonio, 10,1% di idrogeno e 2,6% di azoto. Un mezzo di forma cilindrica avrebbe potuto meglio simulare il tronco del corpo umano, ma la geometria cilindrica permette minori semplificazioni di calcolo, rispetto a quella sferica, quando si voglia determinare l’entità degli effetti di diffusione e assorbimento in vari punti al suo interno e per vari tipi di radiazioni di diversa energia. All’interno della sfera ICRU sono stati fissati (come sarà precisato nel seguito) alcuni punti di riferimento cui correlare i valori di ciascuna delle grandezze operative in punti corrispondenti alle profondità del corpo umano di particolare interesse per i possibili effetti radiobiologici. Le grandezze dosimetriche operative specificamente introdotte per il monitoraggio di area sono l’equivalente di dose ambientale e l’equivalente di dose direzionale. La definizione di ciascuna di queste grandezze (cfr. ICRU 1985, 1988, 1992, 1998, 2001) è basata sul concetto di campo espanso e di campo allineato ed espanso in relazione al campo di radiazioni considerato.

Il concetto di campo espanso e di campo allineato ed espanso

Nel monitoraggio di area la misura effettuata con un rivelatore posto in un punto in aria fornisce un risultato che dipende in primo luogo dalle caratteristiche del campo di radiazione che investe il rivelatore. Se si intende correlare il segnale di misura del rivelatore a una grandezza operativa tramite cui stimare poi la grandezza protezionistica (HT o E)

riferita al corpo umano, si deve assumere che il rivelatore sia irraggiato dal medesimo campo di radiazione che ha irraggiato (o irraggerà) il corpo umano o il fantoccio che ne simula le proprietà. Se si intende correlare il segnale del rivelatore al valore della dose assorbita in un fantoccio che simuli il corpo umano come la sfera ICRU, si deve quindi essere certi che sia questa sfera sia il rivelatore “vedano” lo stesso campo di radiazione. Il campo di radiazione “visto” dal rivelatore riguarda la distribuzione in fluenza, direzione ed energia della radiazione che è presente nella regione di spazio occupata dal

rivelatore. Questa è di norma una regione di piccole dimensioni se confrontata con il volume occupato dal corpo umano (o dal fantoccio sferico ICRU). Affinché anche la sfera ICRU “veda” un campo di radiazione uguale a quello “visto” dal rivelatore è necessario “espandere” il campo di radiazione “visto” dal rivelatore fino a un volume pari almeno a quello in cui è contenuta tutta la sfera. Un “campo espanso” è definito come:

un campo di radiazione che ha per ogni tipo di radiazione da cui è costituito, in ogni punto entro un dato volume di interesse, la stessa fluenza di particelle, la stessa distribuzione angolare e la stessa distribuzione di energia che si hanno nel campo reale nel punto dove si effettua la misura.

Il volume entro cui, tipicamente, si ha interesse ad avere un campo espanso è quello occupato dalla sfera ICRU. Se si immagina quest’ultima posta nello spazio del campo espanso, le interazioni della radiazione con la sfera modificheranno inevitabilmente le caratteristiche del campo iniziale che si manterranno costanti e uniformi solo all’esterno della sfera. In tali condizioni si potrà comunque asserire che la sfera “vede” un campo di radiazioni incidenti identico a quello incidente sul rivelatore. Nel monitoraggio di area non si usa tuttavia un complesso di misura in cui vi sia un rivelatore di radiazioni associato alla sfera ICRU. Ciò sarebbe molto disagevole tenuto conto delle dimensioni e del peso che un tale strumento di misura dovrebbe avere. Nella pratica corrente si utilizzano strumenti, piuttosto leggeri e dotati di rivelatori di radiazioni di piccole dimensioni, il cui segnale permette di ottenere il valore della grandezza dosimetrica operativa di interesse tramite un opportuno coefficiente di taratura dello strumento di misura, come si vedrà più in dettaglio nel seguito. In particolare il coefficiente di taratura dello strumento consente di correlare il segnale dello strumento al valore che la grandezza dosimetrica operativa assume a una data profondità nella sfera ICRU. Questa profondità non può essere il centro della sfera che risulterebbe in tal modo eccessivamente in profondità rispetto alla posizione nel corpo umano di organi particolarmente sensibili alle radiazioni (quali il midollo). Posto dunque che la profondità di riferimento delle grandezze operative non possa coincidere con il centro della sfera ICRU, ne consegue che una qualsiasi posizione di questo punto, diversa dal centro della sfera, fa si che la grandezza operativa dipenda dall’angolo di incidenza della radiazione. Questa dipendenza rende problematica la possibilità di correlare la risposta, tipicamente isotropa10_{, dello strumento di misura}

Come specificato più avanti (cfr. § 7.3.1.a) i rivelatori degli strumenti di misura per il monitoraggio di area devono avere una risposta indipendente (o poco dipendente) dalla direzione d’incidenza della radiazione, almeno quando l’energia di quest’ultima non sia molto bassa.

alla variazione della grandezza operativa che invece è molto sensibile alla direzione della radiazione. Poiché una tale correlazione è indispensabile per utilizzare i risultati forniti dallo strumento di misura, essa si ripristina imponendo che il campo di radiazione, già supposto espanso, venga idealmente reso unidirezionale. Se si ipotizza che il campo di radiazione sia sempre unidirezionale, il valore della grandezza operativa (riferita a un qualsiasi punto eccentrico interno alla sfera ICRU) risulta intrinsecamente non più dipendente dall’angolo di incidenza della radiazione, così come accade per la misura effettuata nel campo reale (multidirezionale) mediante uno strumento con risposta isotropa. Un campo di radiazione che abbia la proprietà di essere espanso e unidirezionale è denotato come “campo allineato ed espanso” ed è definito come:

un campo uniforme entro un dato volume di interesse, le cui componenti di radiazione sono unidirezionali e hanno in ogni punto di quel volume la stessa fluenza e la stessa distribuzione di energia esistenti nel campo reale nel punto dove viene effettuata la misura.

Figura 7.1 - Rappresentazione schematica dei concetti di campo espanso e di campo

allineato ed espanso nello spazio libero. Nel campo espanso le caratteristiche che il campo reale ha nel punto in cui viene effettuata la misura (fluenza, energia, tipo e direzione della radiazione) sono estese a ogni altro punto interno ed esterno al volume occupato dalla sfera ICRU, che però non è realmente presente. Nel campo allineato ed espanso, il campo reale oltre ad essere espanso in ogni punto dello spazio è reso unidirezionale. Le diverse possibili direzioni ed energie della radiazione sono schematizzate rispettivamente dal diverso orientamento e dal diverso spessore delle frecce

Il volume entro cui si ha particolare interesse ad avere un campo allineato ed espanso è quello occupato dalla sfera ICRU. Quando tuttavia questa è effettivamente presente nel campo allineato ed espanso, il campo di radiazione all’interno della sfera non è più solo quello uniforme relativo alla radiazione primaria, ma include anche il campo di radiazione dovuto alla radiazione secondaria generata nella sfera e caratterizzata da energie e direzioni diverse. Il significato di campo espanso e di campo allineato ed espanso nello spazio libero è illustrato in figura 7.1. Nella figura 7.2 sono invece schematizzati i medesimi concetti nello spazio in cui è presente la sfera ICRU.

Le condizioni di campo espanso e di campo allineato ed espanso sono condizioni ideali necessarie a definire in modo univoco le grandezze dosimetriche operative per il monitoraggio di area e a fissare le condizioni di taratura dei relativi strumenti di misura. In pratica un campo allineato ed espanso può essere realizzato utilizzando un fascio collimato di radiazione (con apertura del collimatore sufficientemente grande) con un’approssimazione tanto migliore quanto più grande è la distanza della sorgente di radiazione dall’oggetto irraggiato.

Figura 7.2 - Rappresentazione schematica dei concetti di campo espanso e di

campo allineato ed espanso nel caso in cui la sfera ICRU sia realmente presente nel campo di radiazione. Nel campo espanso, la radiazione primaria incidente sulla sfera ICRU ha, su tutta la superficie della sfera, le stesse caratteristiche che il campo reale ha nel punto in cui viene effettuata la misura. All’interno della sfera è presente: a) sia quella componente della radiazione primaria (frecce lineari) che non ha subito interazioni e che ha quindi le medesime caratteristiche della radiazione primaria incidente, b) sia la radiazione secondaria (frecce curvilinee) caratterizzata da energie e direzioni diverse rispetto alla radiazione primaria. Un’analoga situazione vale per il campo allineato ed espanso. Come in figura 7.1, la diversa direzione ed energia della radiazione primaria sono schematizzati dal diverso orientamento e dal diverso spessore delle frecce lineari