Natuurkunde.nl - Bestraling van een hand met röntgenbron

Bestraling van een hand met röntgenbron

Jaap stelde deze vraag op 25 juni 2023 om 23:55.

Dag vraagbaak,
Het centraal examen havo 2023, tijdvak 2, bevat een opgave 'Aluminium'.
Opgave https://www2.cito.nl/vo/ex2023/HA-1023-a-23-2-o.pdf
Correctievoorschrift https://www2.cito.nl/vo/ex2023/HA-1023-a-23-2-c.pdf

Een deel van de opgave gaat over het gebruik van röntgenstraling om aluminium te detecteren in een mengsel van metaalafval, waarna men het aluminium kan recyclen.
Vraag 19 gaat over een hypothetische gebeurtenis, waarbij een medewerker per
ongeluk zijn hand in de röntgenbundel zou houden.
De inleidende tekst, vraag 19 en het correctievoorschrift bezorgen me hoofdbrekens.

Boven vraag 19 staat: 'De röntgenbron […] zendt 15 kW aan stralingsvermogen uit.'
Een bron die een bundel röntgenstraling met een vermogen van 15 kW uitzendt?
Dat lijkt nogal heftig. Als de röntgenstraling wordt opgewekt door versnelde elektronen op een anode te laten inslaan, is het rendement (veel) minder dan 1% en zou in de anode warmte worden ontwikkeld met een vermogen in de orde van 1500 kW? Hoe koel je dat?
In de bijlage staan gegevens van zo'n apparaat met een opgenomen elektrisch vermogen van 25 kW. Dat ding levert geen röntgenbundel van 15 kW, lijkt me.
a. Is een uitgezonden vermogen van 15 kW in de vorm van röntgenstraling voor zo'n industrieel apparaat realistisch? Of komt 15 W meer in de buurt?

Boven vraag 19 staat verder: 'Wanneer een medewerker per ongeluk zijn hand (m = 500 g) gedurende 0,1 s onder de bron zou houden en de hand 25% van de uitgezonden straling zou absorberen, dan zou de jaarlijkse stralingsbeschermingsnorm van 500 mSv al flink worden overschreden.'
De leerling moet dit met een berekening aantonen.
Het is niet duidelijk of met de 500 mSv een equivalente dosis H_T dan wel een effectieve dosis E wordt bedoeld.
Als met de 'jaarlijkse stralingsbeschermingsnorm van 500 mSv' een beperking wordt bedoeld uit het 'Besluit basisveiligheidsnormen stralingsbescherming' (Bbs), vraag ik me af welke beperking dat is. Laten we aannemen dat de 'medewerker' een 'blootgestelde werknemer' is.
De 'jaarlijkse stralingsbeschermingsnorm' kan niet zijn een 'dosislimiet blootgestelde werknemer' (artikel 7.34, lid 2b sub 3^o), want die geldt alleen voor geplande handelingen.
De 'jaarlijkse stralingsbeschermingsnorm' kan niet zijn een referentieniveau voor beroepsmatige blootstelling in radiologische noodsituaties volgens artikel 7.37, want dit artikel gaat alleen over werknemers die als hulpverlener optreden.
b. Heeft de overheid een 'jaarlijkse stralingsbeschermingsnorm van 500 mSv' vastgesteld die geldt voor het stralingsincident of de onvoorziene onbedoelde gebeurtenis van vraag 19? Zo ja, welke beperking uit het Bbs is dat?

Volgens de officiële 'syllabus' moet de leerling bij het centraal examen havo
'berekeningen [kunnen] maken met (equivalente) dosis'.
Als vakbegrip staat in de syllabus wel de 'effectieve totale [sic] lichaamsdosis in relatie tot stralingsbeschermingsnormen', maar berekeningen over de effectieve dosis worden niet genoemd.
Hoe een hand 25% van de röntgenstraling kan absorberen als de bron een lopende band met een breedte van een meter of meer bestrijkt, is me een raadsel. In de opgave wordt het een en ander vereenvoudigd: de bundel heet evenwijdig, bevat alleen fotonen van 50 keV en met verstrooide straling ('build-up') houden we geen rekening. Allez, het is havo, geen TMS-examen.
In het correctievoorschrift lezen we:
de bundelenergie is E=P·t=15×10³×0,1=1500 J waarvan de hand 25% absorbeert
de equivalente dosis is H=w_R·D=w_R·E/m=1×(0,25×1500)/0,50=800 Sv
Dat is meer dan de 'jaarlijkse stralingsbeschermingsnorm van 500 mSv', dus de norm wordt overschreden.
c. Stel dat de hand inderdaad een equivalente dosis van 800 Sv ontvangt, wat zou hiervan het gevolg zijn op korte en langere termijn?
Groet, Jaap

Bijlagen:

Fact_Sheet_STEINERT_XSS_T_EVO_5_0_EN_V2211_WEB.pdf

Reacties

Jan van de Velde op 26 juni 2023 om 19:09

Jaap

Een bron die een bundel röntgenstraling met een vermogen van 15 kW uitzendt?
Dat lijkt nogal heftig.

Toevallig vandaag in de CT-scanner gelegen. Op een blauw schermpje las ik af "120 kV, 35 mA". Navraag leerde dat dat inderdaad over de röntgenstraler ging. Toch 4 kW.
Van rendementen of zo wist men niks.

Groet, Jan.

Jaap op 26 juni 2023 om 19:50

Dag Jan,
Als de röntgenstralen in de opgave worden opgewekt met een klassieke röntgenbuis, schat ik het rendement=(energie van de röntgenfotonen) / (elektrische energie die aan de röntgenbuis wordt toegevoerd) op ongeveer 1%.
De ene buis is de andere niet, maar 1% wordt genoemd onder de kop 'Heat released' op
https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_tube
Het is voorstelbaar dat een deel van de 15 kW van het apparaat uit de opgave niet wordt opgenomen door de röntgenbuis, maar dient voor de algehele werking van de machine.
Als de röntgenbron toch fotonen ter waarde van 15 kW produceert met een rendement van 1%, dan neemt de bron in de orde van 1500 kW op. Dat kan ik me niet voorstellen.
Alle goeds gewenst, ook voor je gezondheid.
Groet, Jaap

Leon op 28 juni 2023 om 21:00

Beste Jaap,

a) Helaas kan ik geen aanvullende informatie vinden op de website van Steinert over de toegepaste röntgenbron. Ik kan me niet voorstellen dat de betreffende röntgenbron de röntgenbron overtreft van de door Jan genoemde CT-scanner, maar zeker weet ik het niet. Een ding weet ik wel zeker, een dosis van 800 Sv is een absurd hoge en irreële dosis en als deze blootstelling inderdaad mogelijk zou zijn bij een incident (dit moet je meenemen in de risicoanalyse stralingstoepassingen en bij de aanvraag voor een KEW-vergunning bijvoegen), zal je voor deze toepassing nooit, maar dan ook nooit een vergunning krijgen. De dosislimiet voor de extremiteiten en de huid (dit betreft dus een equivalente dosislimiet) van een blootgestelde medewerker van categorie A is 500 mSv per jaar (artikel 7.34 Bbs, zoals ook al door jou aangegeven hierboven Jaap) en is bedoeld om deterministische stralingsschade te voorkomen.
In werkelijkheid is de strooistraling niet te verwaarlozen en normaal gesproken ruim meer dan 1% van de primaire bundel; uitgaande van 1% zou dit betekenen dat het lichaam van de medewerker een stralingsdosis van op zijn minst 8 Sv zou ontvangen, ervan uitgaande dat de berekende 800 Sv handdosis correct is (wat ik ernstig betwijfel); dit betekent dat de betreffende medewerker het niet zou overleven.

b) De equivalente dosislimiet van 500 mSv per jaar geldt voor reguliere en potentiële (voorziene onbedoelde gebeurtenissen (VOGs)) blootstelling samen, en niet voor onvoorziene onbedoelde gebeurtenissen. Onvoorziene onbedoelde gebeurtenissen moeten altijd gemeld worden aan de autoriteit nucleaire veiligheid en stralingsbescherming (ANVS).

c) Gevolgen van een blootstelling van 800 Sv. Ik heb over dit soort absurd hoge doses geen informatie kunnen vinden, maar ik ga ervan uit dat het veel ernstiger is dan wat ik nu ga beschrijven voor wat lagere, maar nog steeds, serieuze blootstellingen.
Met toenemende huiddosis treden tijdelijke ( 3 - 5 Sv) of permanente ontharing (7 Sv) binnen 3 weken op en vervolgens droge en natte desquamatie (afschilfering, eventueel met blaarvorming) (10 - 20 Sv) binnen een maand. Bij dosis vanaf 40 Sv is de beschadiging zo hevig dat zweervorming optreedt binnen 6 weken, die moeilijk of onvolledig geneest en boven de 50 Sv treedt necrose van de epidermis op binnen 10 weken. Na enkele maanden of jaren zijn veranderingen in pigmentatie zichtbaar; er treedt atrofie van de huid, van de zweet- en talgklieren en van de haarzakjes op, gevolgd door fibrose van de dermis en een verhoogde gevoeligheid voor verwonding en chronische zweervorming.

Met vriendelijke groet,

Leon

Jaap op 28 juni 2023 om 22:40

Dag Leon,
Dank voor de informatie.
Al met al ben ik er niet gerust op dat vraag 19, de eraan voorafgaande informatie en de uitwerking realistisch zijn voor de genoemde toepassing. Een vermogen van 15 kW in de vorm van röntgenfotonen kan ik me bij een afvalscheidingsinstallatie niet voorstellen.

In het boek Praktische stralingshygiëne (Van den Eijde et al., negende druk, 2022) wordt in paragraaf 9.6.5 een directionele buis genoemd met een spanning van 300 kV en een buisstroom tot 6 mA. Dat is een opgenomen elektrisch vermogen van 1800 W en een stralingsvermogen in de orde van 20 W. Zo'n buis wordt in het veld gebruikt voor controle van lasnaden en geeft een dosistempo tot 20 Sv per uur op een meter afstand. Ik vermoed dat zo'n buis veel krachtiger is dan de buis in een afvalscheidingsinstallatie. Maar volgens vraag 19 zou de buis zeer veel meer veroorzaken, namelijk 800 Sv zou geven in 0,1 seconde? Dat is niet aannemelijk.
Groet, Jaap

Bestraling van een hand met röntgenbron

Reacties

Plaats een reactie

Cookie-instellingen