ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| DOSIMETRIA | FIS/07 | LEZIONI | 36 |
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Il corso di dosimetria presenta una introduzione alla dosimetria delle radiazioni ionizzanti. In esso vengono illustrati concetti quali l’equilibrio di radiazione, l’equilibrio delle particelle cariche, il teorema di reciprocità e la teoria delle cavità applicata a semplici calcoli di dose.
Dosimetry course presents an introduction to the dosimetry of ionizing radiation. It illustrates concepts such as the radiation equilibrium, charged particles equilibrium, the reciprocity theorem and the cavity theory applied to simple dose calculations. Most used dosimeters and dosimetric technqiues are presented.
alla fine del corso lo studente sara' in grado di eseguire semplici calcoli di dose in applicazioni di interesse radioportezionistico, radiodiagnostico e radioterapeutico
at the end of the course the student will be able to perform simple dose calculations in applications of radioporteionistic, radiodiagnostic and radiotherapeutic interest
verranno svolti esercizi numerici in classe
numerical exercises will be carried out in class
Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche dosiemtriche in ambito diagnostico e terapeutico sia radioprotezionistiche connesse con il rischio di esposizione di lavoratori e pubblico a radiazioni ionizzanti
The student will be able to acquire and / or develop sensitivity to dosimetric problems in the diagnostic and therapeutic field and radioprotectionist connected with the risk of exposure of workers and the public to ionizing radiation
Durante le sessioni di esercitazione saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
During the training sessions, the degree of accuracy and precision of the activities carried out will be assessed
-elementi di interazione radiazione-materia
-introduzione al funzionamento di rivelatori di radiazione ionizzante
- elements of radiation-matter interaction
- introduction to the operation of ionizing radiation detectors
-lezioni frontali con slides
-esercitazioni numeriche
-frontal lectures with slides
- numerical exercises
1) Nozioni di base per la dosimetria
- Le radiazioni ionizzanti (definizione e classificazione), le radiazioni ionizzanti presenti nell’ambiente e quelle di uso medico, le sorgenti naturali di radiazione (raggi cosmici, radioattività terrestre) e quelle artificiali (macchine e radioisotopi).
- Le grandezze fisiche che caratterizzano il campo di radiazione: fluenza di particelle, fluenza di energia, energia radiante, radianza.
- I coefficienti d’interazione della radiazione direttamente e indirettamente ionizzante con un mezzo:
- coefficiente di attenuazione, di trasferimento di energia e di assorbimento di energia per la radiazione indirettamente ionizzante (fotoni e neutroni);
- potere frenante (elettronico e radiativo) per la radiazione direttamente ionizzante (particelle cariche);
- potere frenante ristretto e LET.
- Energia media per formare una coppia di ioni.
- Cammino libero medio e lunghezza di radiazione.
- Le grandezze dosimetriche di base: la dose assorbita, il kerma e l’esposizione.
- L’equivalente di dose come conseguenza della diversa efficacia biologica della radiazione (ad alto e basso LET).
- L’equilibrio delle particelle cariche (CPE).
- Correlazioni fra le grandezze dosimetriche in condizioni di CPE: relazioni fra dose assorbita, kerma ed esposizione, relazione fra dose assorbita e fluenza in funzione dei coefficienti di kerma (per neutroni).
- La radioattività: i modi di decadimento e l’attività dei radionuclidi (cenni sulle famiglie radioattive e sulle reazione di attivazione). La costante del rateo di esposizione e di kerma in aria.
- Il coefficiente di taratura di un sistema di misura, misure assolute e misure relative, i campioni di misura e il ruolo del sistema metrologico nella dosimetria.
2) Dosimetria in radioprotezione
- Condizioni di irradiazione esterna e di irradiazione interna.
- Le grandezze radioprotezionistiche: dose efficace, dose equivalente.
- Monitoraggio di area e individuale (irradiazione esterna).
- Le grandezze dosimetriche operative per il monitoraggio di area e individuale: equivalente di dose ambientale, direzionale e personale.
- Metodi dosimetrici in radioprotezione:
- caratteristiche generali di uno strumento di misura da usare per dosimetria ambientale o per dosimetria individuale (sensibilità, linearità, efficienza per radiazioni di diverso tipo);
- la risposta di un dosimetro e la sua dipendenza dalla direzione e dall’energia della radiazione;
- tipi di taratura dei dosimetri per la misura delle diverse grandezze operative
- i rivelatori per la dosimetria in radioprotezione: rivelatori a gas (camere a ionizzazione, contatori proporzionali, contatori G-M), rivelatori a scintillazione, a semiconduttore, a tracce, a termoluminescenza, a radiofotoluminescenza, a luminescenza otticamente stimolata, a bolle surriscaldate.
- Metodi di misura dell’attività dei radionuclidi nelle situazioni di irradiazione interna (inalazione e ingestione di radionuclidi):
- spettrometria gamma e alfa con semiconduttori e scintillatori, sistemi a scintillatori liquidi per radiazione beta, sistemi di misura del radon, misura della contaminazione al corpo intero “whole body counter”).
- Conversione da attività a: equivalente di dose, dose efficace, dose equivalente.
3) Dosimetria in radioterapia e in radiodiagnostica
- Generalità sulle sorgenti di radiazione in radioterapia e radiodiagnostica:
- irradiatori con Co-60, acceleratori lineari e circolari di elettroni, protoni e ioni pesanti;
- sorgenti e impianti per brachiterapia, macchine a raggi x.
- Caratterizzazione dei campi di radiazione in radioterapia e radiodiagnostica:
- analisi delle diverse modalità di assorbimento dei fasci di fotoni, elettroni e particelle cariche pesanti in funzione della profondità nel mezzo (curve di PDD in acqua);
- gli indicatori della qualita’ della radiazione per fasci di fotoni (HVL e TPR 20/10);
- gli indicatori della qualita’ della radiazione per fasci di elettroni, protoni e ioni pesanti (R50 e Rres).
- Determinazione della dose assorbita in acqua in fasci di fotoni e di particelle cariche:
- teoria della cavità di Bragg-Gray (B-G);
- l’effetto dei raggi delta e la revisione di Spencer-Attix (S-A) della teoria di B-G - determinazione del rapporto dei poteri frenanti acqua-aria secondo S-A.
- Le camere a ionizzazione a cavità: camere sferiche/cilindriche e camere a elettrodi piani paralleli.
- Misura della dose assorbita in acqua (Dw) con camere a ionizzazione a cavità:
- espressione di Dw con camere a cavità tarate in termini di kerma in aria (“approccio NK o NDa”), analisi degli effetti di perturbazione causati dalla camera nel mezzo omogeneo (l’acqua);
- fattori correttivi nelle misure di carica con camere a ionizzazione dovuti a: effetto della ricombinazione ionica generale e iniziale, effetto di polarità, effetto della temperatura, pressione e umidità dell’aria;
- espressione di Dw e analisi dei fattori di perturbazione con camere a cavità tarate in termini di Dw (“approccio NDw”).
- Caratteristiche dei sistemi di misura complementari per la dosimetria in radioterapia e radiodiagnostica:
- dosimetri termoluminescenti, film radiocromici, dosimetri a ESR, diodi a stato solido (silicio, diamante).
- Determinazione della dose assorbita in acqua (Dw) in brachiterapia:
- espressione e calcolo di Dw nell’uso di sorgenti solide;
- caratterizzazione delle sorgenti (rateo di kerma in aria di riferimento e rateo di dose assorbita di riferimento) per il calcolo di Dw,
- cenni sulla determinazione di Dw nell’uso di sorgenti liquide (dosimetria interna per la radioterapia metabolica);
- problemi nella misura di distribuzioni di dose in fantoccio in brachiterapia.
- Generalità sulla dosimetria nella radiodiagnostica con raggi x: grandezze di riferimento (kerma incidente, prodotto kerma-area, indici per la TC, ecc.) e loro conversione in dose efficace.
- I protocolli internazionali per la dosimetria in radioterapia e in radiodiagnostica: loro ruolo e importanza per contenere entro limiti accettabili l’incertezza nelle misure dosimetriche.
- Cenni sui principali sistemi di misura campione basati su metodi ionimetrici, calorimetrici e di conteggio di particelle.
1) Basics of dosimetry
- Ionizing radiation (definition and classification), ionizing radiation in the environment and for medical use, natural sources of radiation (cosmic rays, terrestrial radioactivity) and artificial ones (accelerators/reactor produced radioisotopes).
- The physical quantities that characterize the radiation field: particle fluence, energy fluence, radiant energy, radiance.
- The interaction coefficients of radiation directly and indirectly ionizing with a medium:
- attenuation, energy transfer and energy absorption coefficient for indirectly ionizing radiation (photons and neutrons);
- stopping power (electronic and radiative) for directly ionizing radiation (charged particles);
- limited stopping power and LET.
- Average energy to form an ion pair.
- Average free path and radiation length.
- The basic dosimetric quantities: the absorbed dose, the kerma and the exposure.
- The dose equivalent as a consequence of the different biological efficacy of the radiation (high and low LET).
- The radiation equilibrium (RE) and the charged particles equilibrium (CPE).
- Correlations between the dosimetric quantities under CPE conditions: relationships between absorbed dose, kerma and exposure, relationship between absorbed dose and fluence as a function of the kerma coefficients (for neutrons).
- Radioactivity: the modes of decay and the activity of radionuclides (notes on radioactive families and on the activation reaction). The constant of the exposure rate and kerma in the air.
- The calibration coefficient of a measuring system, absolute and relative measurements, the measurement samples and the role of the metrological system in dosimetry.
2) Dosimetry in radiation protection
- External irradiation and internal irradiation conditions.
- Radiation protection quantities: effective dose, equivalent dose.
- Area and individual monitoring (external irradiation).
- The operational dosimetric quantities for area and individual monitoring: equivalent of environmental dose and equivalent personal dose.
- Dosimetric methods in radiation protection:
- general characteristics of a measuring instrument to be used for environmental dosimetry or for individual dosimetry (sensitivity, linearity, efficiency for radiation of different types);
- the response of a dosimeter and its dependence on the direction and energy of radiation;
- types of dosimeter calibration for the measurement of the different operating quantities
- detectors for dosimetry in radioprotection: gas detectors (ionization chambers, proportional counters, G-M counters), scintillation, semiconductor, tracks, thermoluminescence, radio-photoluminescence, optically stimulated luminescence, superheated bubbles detectors.
- Methods for measuring the activity of radionuclides in situations of internal irradiation (inhalation and ingestion of radionuclides):
- gamma and alpha spectrometry with semiconductors and scintillators, liquid scintillator systems for beta radiation, radon measurement systems, whole body counter contamination measurement.
- Conversion from activity to: dose equivalent, effective dose, equivalent dose.
3) Dosimetry in radiotherapy and radiodiagnostics
- General information on radiation sources in radiotherapy and radiodiagnostics:
- radiators with Co-60, linear and circular accelerators of electrons, protons and heavy ions;
- sources and systems for brachytherapy, x-ray machines.
- Characterization of radiation fields in radiotherapy and radiodiagnostics:
- analysis of the different absorption modes of photon, electron and heavy charged particles as a function of the depth in the medium (PDD curves in water);
- the indicators of the quality of radiation for photon beams (HVL and TPR 20/10);
- the indicators of the quality of radiation for electron, proton and heavy ion beams (R50 and Rres).
- Determination of the dose absorbed in water in beams of photons and charged particles:
- Bragg-Gray cavity theory (B-G);
- the effect of delta rays and the Spencer-Attix (S-A) revision of the theory of B-G - determination of the ratio of water-air braking powers according to S-A.
- The cavity ionization chambers: spherical / cylindrical chambers and parallel flat electrode chambers.
- Measurement of the dose absorbed in water (Dw) with cavity ionization chambers:
- expression of Dw with cavity chambers calibrated in terms of kerma in air ("NK or NDa approach"), analysis of the perturbation effects caused by the chamber in the homogeneous medium (water);
- correction factors in charge measurements with ionization chambers due to: effect of general and initial ionic recombination, polarity effect, effect of temperature, pressure and humidity of the air;
expression of Dw and analysis of perturbation factors with cavity chambers calibrated in terms of Dw ("NDw approach").
- Characteristics of complementary measuring systems for dosimetry in radiotherapy and radiodiagnostics:
- thermoluminescent dosimeters, radiochromic films, ESR dosimeters, solid state diodes (silicon, diamond).
- Determination of the dose absorbed in water (Dw) in brachytherapy:
- expression and calculation of Dw in the use of solid sources;
- characterization of the sources (rate of kerma in reference air and rate of reference absorbed dose) for the calculation of Dw,
- notes on the determination of Dw in the use of liquid sources (internal dosimetry for metabolic radiotherapy); MIRD scheme
- problems in the measurement of dose distributions in brachytherapy phantoms.
- General information on dosimetry in x-ray radiodiagnostics: reference quantities (incident kerma, kerma-area product, CT indices, etc.) and their conversion into effective dose.
- The international protocols for dosimetry in radiotherapy and radiodiagnostics: their role and importance to contain uncertainty in dosimetric measurements within acceptable limits.
- Notes on the main sample measurement systems based on ionimetric, calorimetric and particle counting methods.
- Laitano R. F. Fondamenti di Dosimetria delle Radiazioni Ionizzanti - IV edizione, ENEA, Roma 2013.
- Attix F. H., Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry, John Wiley & Sons, 1986.
- Podgorsak E. B. (Ed.), Radiation Oncology Physics, A Handbook for Teachers and Students, International Atomic Energy Agency, Vienna, 2005.
- Khan F. M., The Physics of Radiation Therapy, Lippincott Williams & Wilkins – Wolters Kluwer, Baltimore-Philadelphia, 2010.
- Laitano R. F. Fondamenti di Dosimetria delle Radiazioni Ionizzanti - IV edizione, ENEA, Roma 2013.
- Attix F. H., Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry, John Wiley & Sons, 1986.
- Podgorsak E. B. (Ed.), Radiation Oncology Physics, A Handbook for Teachers and Students, International Atomic Energy Agency, Vienna, 2005.
- Khan F. M., The Physics of Radiation Therapy, Lippincott Williams & Wilkins – Wolters Kluwer, Baltimore-Philadelphia, 2010.
materiale didattico e bibliografia sono disponibili sul sito del corso elearning / moodle
contattare l'insegnante per ulteriori dettagli
teaching materials and bibliography can be found on the corse elearning/moodle site
contact the teacher for further details
an interview between the candidate and the teacher, or even between the candidate and other collaborators of the titular teacher. During the oral exam the candidate may also be asked to solve written problems / exercises in front of the teacher. During the test, the candidate must also present a seminar on a topic chosen by him/her from those covered in the course. He/she can make use of slides or other supports. The teacher and candidate will discuss the content of the seminar.
if the candidate shows that he is unable to express himself clearly and to use the correct terminology, or if the candidate does not correctly answer at least a certain type of questions (for example corresponding to the most basic part of the course).
