ZASTOSOWANIE IZOTOPW PROMIENIOTWRCZYCH 3112021 1 SPIS TRECI a

ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW PROMIENIOTWÓRCZYCH 3/11/2021 1

SPIS TREŚCI a) b) c) d) e) f) g) MEDYCYNA Ogólnie Technika in vivo Technika in vitro Zastosowanie radionuklidów Znane radioizotopy i ich zastosowanie Leczenie chorób Znaczniki izotopowe w biologii i w medycynie WYZNACZANIE WIEKU MINERAŁÓW Metoda halowa Inne metody ZEGAR ARCHEOLOGICZNY TECHNIKA Pomiar grubości Waga izotopowa Izotopowe pomiary gęstości Analiza Pomiar wilgotności Izotopowe pomiary poziomu Czujki dymu 3/11/2021 2

Medycyna jest dziedziną aktywności ludzkiej, w której szczególnie szeroko stosuje się promieniowanie. Zakłady medycyny nuklearnej czy oddziały radiologiczne znajdują się w wielu szpitalach. Promieniowanie służy zarówno do diagnostyki (zdjęcia rentgenowskie klatki piersiowej, kości czy zębów), jak i do terapii (typowym źródłem promieniotwórczym jest tu izotop kobaltu 60 Co, stanowiący serce tzw. bomby kobaltowej. Diagnozowanie przy pomocy metod jądrowych wykorzystujących źródła izotopowe wykrywa szereg schorzeń zanim wystąpią symptomy choroby i zapobiega niepotrzebnym zabiegom chirurgicznym. 3/11/2021 3

Technika in vivo Medycyna Techniki diagnostyczne in vivo oparte są na metodzie atomów znaczonych. Pacjentowi podaje się preparat promieniotwórczy (radiofarmaceutyk) w staranie dobranej postaci chemicznej i ograniczonym natężeniu promieniowania, aby zbadać wybrane zjawiska fizjologiczne przy użyciu detektora (gamma – kamery), umieszczonej poza pacjentem. Takie radiofarmaceutyki można zaprojektować tak, aby gromadziły się w wybranych tkankach lub narządach. Seryjne wykorzystanie zdjęcia po zastosowaniu radiofarmaceutyków tworzą dynamiczny obraz czynności badanego narządu, dostarczając szczegółowych informacji na przykład o procesie oddychania lub pracy serca. Zdjęcia uzyskane za pomocą technik jądrowych pozwala na lepszą ocenę czynności fizjologicznych lub biochemicznych niż zdjęcia wykonywane metodą rentgenowską. Zdjęcie wykonane w różnych płaszczyznach i pod różnymi kątami, tworzą warstwowy obraz narządu. Technika ta nazywa się tomografią komputerową(CT). 3/11/2021 4

Medycyna Technika in vitro Diagnoza in vitro pozwala na analizę kliniczną bez narażenia pacjenta na działanie promieniowania. Co więcej, pacjent wcale nie musi być obecny podczas badania. Próbka krwi przesyłana jest do laboratorium i badana tam technikami jądrowymi takimi jak: test radioimmunologiczny (RIA), próbkowanie radioimmunologiczne (IRMA) lub metody oparte na radionuklidach. Metodami RIA i IRMA mierzone jest precyzyjnie narażenie na infekcję na podstawie oceny przeciwciał. RIA stosuje się również do pomiaru stężeń hormonów, witamin, leków w płynach ustrojowych i endokrynologicznych oraz wykrywania infekcji wywołanych przez bakterie (np. gruźlica) i zakażeń pasożytniczych (malaria). 3/11/2021 5

Medycyna 3/11/2021 6

Medycyna Znane radioizotopy i ich zastosowanie Izotop Zastosowanie T 1/2* Technet – 99 m. Tc Badanie serca 6 h Jod – 123 I Badanie tarczycy 13 h Tal – 201 Tl Badanie mięśnia sercowego 78 h Fluor – 18 F Epilepsja 110 m Węgiel – 11 C Obrazowanie mózgu 20 m Ind – 111 In Badanie mózgu 67 h Gal – 67 Ga Badanie guzów nowotworowych 78 h Krypton – 81 m. Kr Badanie płuc 13 s Azot – 13 N Badanie serca 10 m Tlen – 15 O Badanie gospodarki tlenowej 2 m 3/11/2021 7

Promieniowanie ma szerokie zastosowanie w leczeniu chorób, w tym raka i chorób tarczycy. Aby zahamować rozwój nowotworu, albo zabezpieczyć pacjenta przed przerzutem lub nawrotem nowotworu wszystkie „złośliwe komórki” w guzie muszą zostać zniszczone. Radioterapia osiąga to przez zogniskowanie wiązki Leczenie chorób promieniowania na guzie nowotworowym, wykorzystując w tym celu najczęściej promieniotwórczy kobalt lub promienie rentgenowskie. Teleterapia jest metodą leczenia w której źródło promieniowania znajduje się w pewnej odległości od nowotworu. W brachyterapii izotopowe źródła zamknięte mogą być wprowadzane do wnętrza organizmu, a także stosowane jako zewnętrzne źródła promieniowania. RÓŻNE FORMY RADIOTERAPII Brachyterapia stosowana jest w szczególnych Radioterapia wykorzystuje małe źródła przypadkach, takich jak rak szyjki macicy, głowy i szyi, promieniowania (przewody platynowo- zapewnia ochronę delikatnym i zdrowym tkankom lub irydowe, granulki cezu), które narządom przez skierowanie promieniowania na umieszczane są obok nowotworu. wybrane miejsce. Inną nową, cenną metodą leczenia Teleradioterapia polega na kierowaniu raka jest stosowanie przeciwciał monoklonowych promieni emitowanych przez źródło znaczonych radioizotopami. Przeciwciała te są zwalczającymi choroby proteinami, które wyszukują zewnętrzne na komórki rakowe. tkanki lub komórki nowotworowe i wiążą się z nimi. Immunoradioterapia posługuje się Radionuklid związany chemicznie z przeciwciałami radioaktywnie oznaczonymi monoklonowymi może dostarczyć duże dawki nośnikami, których przeciwciała promieniowania do tkanek tworzących nowotwór nie rozpoznają komórki rakowe, uszkadzając przy tym otaczających zdrowych tkanek. przyczepiają się do nich i niszczą je. Medycyna 3/11/2021 8

Znaczniki izotopowe w biologii i w medycynie Różne izotopy tego samego pierwiastka mają takie same własności chemiczne. Zatem zastąpienie w cząsteczce jednego izotopu innym nie zmienia jej funkcji. Natomiast promieniowanie emitowane przez izotop umożliwia jego wykrycie, zlokalizowanie i śledzenie ruchu, a nawet pomiar jego stężenia bez ingerencji z zewnątrz. Metoda znaczników izotopowych pozwala zatem badać funkcjo- nowanie żywego organizmu, poczynając od poszczególnych jego komórek po cały narząd. Wielu przełomowych odkryć naukowych w drugiej połowie dwudziestego wieku dokonano dzięki wykorzystaniu promieniotwórczości m. in. odkryto funkcjonowanie genotypu, metabolizm komórek, fotosyntezę, mechanizm wysyłania chemicznych informacji (hormony, neuromediatory) wewnątrz organizmu Z lewej: Komputerowy obraz podwójnej spirali cząsteczki DNA 3/11/2021 9

Wyznaczanie wieku minerałów Bardzo długo żyjące naturalne substancje promieniotwórcze szczególnie 238 U, 235 U, 232 Th, 40 K, 87 Rb, mogą służyć jako mierniki wieku skały w której są zawarte. Zmierzona ilość produktu przemian jądrowych w minerale w stosunku do zawartości radionuklidu wyjściowego jest miernikiem upływu czasu. Metoda helowa W czasie przemian promieniotwórczych są emitowane cząstki , czyli jądra helu. Promieniowanie zachodzi jednakowo, zarówno na powierzchni jak i we wnętrzu skały. Cząstki przyłączają elektrony na skutek jonizacji ośrodka i stają się atomami helu. Duża część helu zostaje zamknięta wewnątrz minerału. Jeden gram uranu produkuje rocznie 1, 1*10 -7 cm 3 helu, a więc na podstawie pomiaru zawartości helu w skale można określić jej wiek. Metodę tę nazywa się zegarem helowym. Metoda strontowa Wiek skał oznacza się na podstawie zawartości strontu – 87 powstałego na skutek rozpadu - rubidu – 87. Metoda ta daje wyniki sięgające 3, 5 mld lat. Metoda argonowa Wiek skał oznacza się na podstawie zawartości argonu – 40 powstałego w wyniku rozpadu potas – 40. Metoda ta znalazła zastosowanie w oznaczaniu wieku licznych minerałów zawierających potas. 3/11/2021 10

Wyznaczanie wieku minerałów Metoda ołowiowa Wszystkie trzy naturalne szeregi uranu i toru kończą się na trzech różnych izotopach ołowiu: 206 Pb, 207 Pb i 208 Pb. Oznaczenie zawartości uranu lub toru w minerale w stosunku do ilości ołowiu umożliwia określenie wieku minerału. Ponieważ uran – 235 i uran – 238 występują razem oraz ulegają rozpadowi z różnymi szybkościami, wiek skały ustala się ze stosunku 206 Pb/207 Pb. Wielkość tę dla minerałów starszych niż 500 mln lat można oznaczyć w spektrometrze mas. Uzyskane wartości stosunku 206 Pb/207 Pb wskazują, jak długo w tym minerale trwał proces rozpadu izotopów uranu. Na przykład wiek preparatów dwóch rud kanadyjskich ( z Huron Claim, zdjęcie z lewej) określono na 2, 5 mld lat. 3/11/2021 11

Zegar archeologiczny Węgiel 14 C wytworzony w górnych warstwach atmosfery, wraz z węglem niepromieniotwórczym ulega asymilacji przez rośliny w postaci dwutlenku węgla. Następnie poprzez pożywienie dostaje się do organizmu człowieka. Równowaga, jaka się ustala w procesach odżywiania i oddychania w danym środowisku, sprawia, że stężenie węgla w organizmach jest stałe. W przypadku obumarcia Malowidło w jaskini Cosquer wykonane 27000 lat temu organizmu 14 C przestaje być uzupełniany i z upływem czasu jego stężenie w obumarłych Dwutlenek węgla (CO 2) obecny w atmosferze zawiera szczątkach organizmu ulega zmniejszeniu na stabilny węgiel-12 i bardzo niewielki odsetek skutek rozpadu promieniotwórczego. Na promieniotwórczego węgla-14 (którego okres połowicznego podstawie znajomości pierwotnego stężenia 14 C rozpadu wynosi 5730 lat), ciągle tworzonego przez w organizmie oraz znanego okresu półtrwania promienie kosmiczne. Dwutlenek węgla znajdujący się w węgla 14 C (ok. 5730 lat) można określić wiek atmosferze jest wchłaniany przez organizmy żywe (w przedmiotu pochodzenia organicznego. W procesach oddychania i fotosyntezy). Kiedy żywy organizm związku z tym węgiel 14 C jest nazywany umiera, znajdujący się w nim węgiel-14 przestaje być zegarem archeologicznym. Metodę tę opracował odnawiany. W miarę jak izotop ten ulega rozpadowi jego amerykański chemik Willard Libby. zawartość w porównaniu z węglem-12 spada. W ten sposób węgiel-14 pełni rolę swoistego "zegara"; im mniej go pozostaje, tym starsza jest próbka pobrana do datowania. 3/11/2021 12

Technika POMIAR GRUBOŚCI Tal – 204 jest stosowany w urządzeniach do pomiaru grubości papieru bezpośrednio przy jego produkcji. Pod przesuwającym się papierem umieszczone jest źródło Tal – 204, którego promieniowanie resorbowane jest przez papier, co rejestruje sonda. Zmiana grubości papieru powoduje zmiany w natężeniu rejestrowanego promieniowania. Przy odpowiednim wyskalowaniu przyrządy można dokładnie określić grubość nawijanego na na belę papieru. Tę metodę wykorzystuje się także do pomiaru grubości innych materiałów, np. cienkiej folii aluminiowej. Jako źródła promieniowania stosuje się też inne radionuklidy, emitery np. stront – 90 lub cer – 144. Do pomiarów materiałów o większej grubości i gęstości, np. walcowanej blachy stalowej, stosuje się emitery o wyższej energii promieniowania . Najczęściej stosowanym radionuklidem jest kobalt – 60. 3/11/2021 13

Technika Ilustr. Zasada działania wagi izotopowej 3/11/2021 WAGA IZOTOPOWA Szczególną odmianą miernika grubości są wagi izotopowe. Urządzenie takie w sposób ciągły dokonuje pomiarów ilości substancji, np. w czasie transportu za pomocą pasa transmisyjnego. Pod przenośnikiem znajduje się zamknięte źródło z radionuklidem. Liczba zliczeń w detektorze zależy od składu transportowanego materiału i jego ilości. Ponad transporterem umieszczony jest detektor mierzący promieniowanie, które przeszło przez materiał. Z różnicy natężenia promieniowania przed i po napełnieniu transportera określa się ilość przenoszonego materiału. Stosując stałą grubość materiału można określić jego gęstość. W bardziej nowoczesnych wagach izotopowych stosuje się pomiar promieniowania rozproszonego przez badany materiał. Im więcej materiału, tym większe natężenie promieniowania rozproszonego. 14

Technika IZOTOPOWE POMIARY GĘSTOŚCI Pomiar izotopowy jest realizowany w oparciu o zjawisko pochłaniania promieniowania przez produkt. Natężenie promieniowania rejestrowane przez urządzenie jest proporcjonalne do gęstości produktu. Układ pomiarowy składa się zawsze z jednostki sterującej, detektora promieniowania, źródła izotopowego w pojemniku ochronnym oraz urządzenia mocującego. Urządzenie mocujące pozwala na zainstalowanie pojemnika ochronnego ze źródłem i detektora na rurociągu lub w zbiorniku w taki sposób Najczęściej są stosowane dwie konfiguracje układu pomiarowego: · przy pomiarze gęstości produktu płynącego w rurociągu, detektor i pojemnik ze źródłem są montowane na specjalnym stelażu, po obu stronach rury · przy pomiarze gęstości produktu znajdującego się w zbiorniku, pojemnik ochronny ze źródłem są montowane wewnątrz zbiornika, a detektor na zewnątrz 3/11/2021 15

Technika ANALIZA Urządzenia do analizy zawartości określonych substancji w badanym medium wykorzystują promieniowanie gamma oraz mikrofale. W niektórych przypadkach stosowane są oba wymienione rodzaje promieniowania jednocześnie. Na naszych stronach przedstawione zostaną urządzenia służące do pomiaru zawartości Pomiar zawartości nie spalonego węgla w popiele jest części niepalnych w węglu oraz do kontroli ilości nie realizowany w oparciu o zjawiska tłumienia spalonego węgla w popiele. amplitudy i przesunięcia fazy mikrofal Pomiar zawartości części niepalnych w węglu jest przenikających przez popiół. Na podstawie wartości realizowany w oparciu o zjawisko pochłaniania amplitudy i przesunięcia fazy dla wszystkich promieniowania jonizującego przenikającego przez częstotliwości pomiarowych jest generowany sygnał produkt. Różne rodzaje promieniowania są pochłaniane proporcjonalny do zawartości cząsteczek węgla. inaczej przez produkty o różnych liczbach atomowych, Pomiar jest realizowany w komorze, która cyklicznie czyli składniki palne i nie palne (tworzące popiół). Przez napełnia się i opróżnia. Anteny nadawcza i porównanie pochłaniania różnych typów odbiorcza są zamontowane naprzeciw siebie i promieniowania można określić zawartość cząstek popiołowych. Typowy układ pomiarowy wykorzystuje „prześwietlają” popiół znajdujący się w komorze. dwa źródła promieniowania, cez C-137 i ameryk Am-241, Dodatkowo miernik może być wyposażony w umieszczone w pojemnikach roboczych. Ponieważ izotopowy układ kompensacji zmian gęstości wilgotność węgla ma również wpływ na pomiar, można popiołu, umieszczony również przy komorze w razie występowania znaczących zmian wilgotności pomiarowej. zastosować mikrofalowy układ kompensacji. 3/11/2021 16

Technika POMIAR WILGOTNOŚCI Pomiar jest realizowany w oparciu o zjawisko spowalniania szybkich neutronów przez atomy wodoru, tworzące cząsteczki wody w mierzonym produkcie. Koncentracja spowolnionych neutronów jest zależna tylko od ilości atomów wodoru i jest proporcjonalna do zawartości wody w produkcie. Układ pomiarowy składa się zawsze z jednostki sterującej, detektora He 3 spowolnionych neutronów oraz źródła szybkich neutronów Be-Am, . Źródło neutronowe i detektor są umieszczone w jednej obudowie i tworzą sondę pomiarową. Najczęściej stosowany jest układ pomiarowy z sondą zainstalowaną wewnątrz zbiornika, w rurze osłonowej. Warunkiem prawidłowego pomiaru jest zachowanie minimalnej ilości materiału w zbiorniku tak, aby sonda pomiarowa przez cały czas była otoczona produktem. Metoda neutronowa nadaje się do pomiaru produktów, które w swoim składzie chemicznym nie zawierają atomów wodoru lub cząstek wody. 3/11/2021 17

Technika IZOTOPOWE POMIARY POZIOMU Pomiar izotopowy jest realizowany w oparciu o zjawisko pochłaniania promieniowania przez produkt. Natężenie promieniowania rejestrowane przez urządzenie jest proporcjonalne do poziomu w zbiorniku. Układ pomiarowy składa się zawsze z jednostki sterującej, detektora promieniowania oraz źródła izotopowego w pojemniku ochronnym. Detektor i pojemnik ze źródłem są montowane na zewnątrz zbiornika. Konfiguracja układu jest zawsze dostosowywana do konkretnej aplikacji. Możliwe konfiguracje układu pomiarowego do ciągłego pomiaru poziomu: detektor liniowyźródło liniowe, detektor punktowy-źródło liniowe, detektor liniowy-źródło punktowe. W przypadku sygnalizacji poziomu zawsze jest stosowany układ: detektor punktowy-źródło punktowe. 3/11/2021 18

Technika Czujki dymu Są przeznaczone do wykrywania obecności dymu w powietrzu, pojawiającego się w początkowej fazie powstawania pożaru. Umożliwia ona wykrycie pożaru w jego początkowym stadium, wtedy gdy materiał jeszcze się tli, co występuje na ogół długo przed otwartego płomienia i zauważalnym wzrostem temperatury. Opis działania: Jonizacyjna czujka dymu reaguje na widoczne i niewidoczne nieuzbrojonym okiem dymy. Ich wniknięcie do czujki powoduje zmianę Posiadanie czujki dymu redukuje ryzyko śmierci przez zaczadzenie lub zatrucie o stanu równowagi dwóch szeregowo połączonych komór jonizacyjnych, jonizowanych minimum 50%. W wielu krajach np. Norwegii, USA, i Australii czujki dymu są źródłem promieniowania. Układ elektryczny czujki wyróżnia tę zmianę i przekazuje do wymagane przez prawo budowlane. centralki sygnalizacji pożaru. Decyzja o zainstalowaniu czujki dymu uratowała życie wielu ludziom i pozwoliła ocalić dobytek. 3/11/2021 19