την Ακτινοβολία στο CERN

Τι είναι η ακτινοβολία;

Οι ακτίνες-Χ αποτελούν ένα μόνο παράδειγμα επωφελούς χρήσης της ακτινοβολίας από τον άνθρωπο. Αυτή η φωτογραφία είναι από τις πρώτες ακτινογραφίες (1896). Δείχνει το χέρι ενός συνεργάτη του W.C. Roentgen (Ρέντγκεν) ο οποίος είχε ανακαλύψει τις ακτίνες-Χ ένα χρόνο νωρίτερα. Η ακτινογραφία αυτή βρίσκεται σήμερα στα αρχεία του Πανεπιστημίου του Wuerzburg.

Η ακτινοβολία είναι ένα φυσικό φαίνομενο. Βρίσκεται παντού γύρω μας. Φθάνει σε μας από τον ουρανό με τη μορφή των κοσμικών ακτίνων, έρχεται από το έδαφος εκπεμπόμενη από ραδιενεργά στοιχεία του φλοιού της γης. Επίσης, εισπνέουμε ακτινοβολία με τον αέρα. Κατά τον 20ο αιώνα, οι άνθρωποι έμαθαν να χρησιμοποιούν την ακτινοβολία προς όφελός τους. Οι ακτίνες-Χ έγιναν ένα πολύτιμο εργαλείο για τη διάγνωση στην ιατρική, ισχυρές δέσμες ηλεκτρονίων χρησιμοποιούνται στη θεραπεία του καρκίνου και η χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα αποκαλύπτει την ηλικία ιστορικών αντικειμένων, όπως οστών και αρχαίων χειρογράφων. Εντούτοις, η ακτινοβολία πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή, καθώς μπορεί να είναι επικίνδυνη για την υγεία. Ακριβώς όπως κατά την ηλιοθεραπεία θα πρέπει κανείς να προσέχει τις υπεριώδεις ακτίνες, έτσι και η υπερβολική έκθεση σε ακτινοβολία θα πρέπει να αποφεύγεται.  Σε ερευνητικά εργαστήρια, όπως στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων, CERN, η παρουσία της ακτινοβολίας στο χώρο εργασίας είναι κάτι καθημερινό. Γι' αυτό λαμβάνονται αυστηρά μέτρα προκειμένου να αποφευχθεί η περιττή, και να διατηρηθεί σε ένα ελάχιστο όριο η αναπόφευκτη, έκθεση στην ακτινοβολία.  Το CERN ακολουθεί αυστηρά τη διεθνή αποδεκτή αρχή ΑLARA (As Low As Reasonably Achievable)  που σημαίνει ότι κάθε έκθεση διατηρείται “τόσο χαμηλή όσο είναι λογικά αποδεκτό”. Παρακάτω εξηγείται τι είναι η ακτινοβολία και πώς μετριέται. Περιγράφονται οι διαδικασίες που ακολουθούνται στο CERN ώστε να διασφαλισθεί η προστασία των εργαζομένων και των επισκεπτών από την ακτινοβολία και να αποφευχθεί κάθε κίνδυνος για το περιβάλλον.

Ακτινοβολία είναι το όνομα που δίνεται στην ενέργεια που μεταφέρεται από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή από τα στοιχειώδη σωματίδια. Τα τηλεοπτικά και ραδιοφωνικά σήματα μεταφέρονται από κύματα. Οι ακτίνες-Χ στα νοσοκομεία και τα αεροδρόμια καθώς και τα μικροκύματα στους φούρνους μικροκυμάτων αποτελούν επίσης μορφές ηλεκρομαγνητικής ακτινοβολίας.  Η διαφορά μεταξύ των μικροκυμάτων  και της ακτινοβολίας-Χ έγκειται στην ενέργειά τους. Ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας, όπως τα μικροκύματα, αναγκάζει τα μόρια να ταλαντώνονται με αποτέλεσμα τη θέρμανση. Ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, όπως οι ακτίνες-Χ, διώχνει ηλεκρόνια από τα άτομα, μια διαδικασία γνωστή ως ιονισμός.  Η ραδιενέργεια αποτελεί μια άλλη σημαντική πηγή ακτινοβολίας. Είναι η αυθόρμητη διάσπαση ασταθών ατομικών πυρήνων που ονομάζονται ραδιονουκλίδια. Ο αριθμός των πυρηνικών διασπάσεων ανά δευτερόλεπτο χρησιμοποιείται ως μέτρο της ραδιενέργειας: μια διάσπαση ανά δευτερολεπτο ονομάζεται 1 μπεκερέλ (bequerel). Τα ραδιονουκλίδια εκπέμπουν τριών ειδών ακτινοβολία: άλφα, βήτα και γάμμα.  Οι βαρείς ασταθείς ατομικοί πυρήνες, συχνά εκπέμπουν σωματίδια άλφα, δηλαδή πυρήνες ηλίου (He) που έχουν μεγάλη ικανότητα ιονισμού, αλλά μικρή διαπεραστική ικανότητα: μπορούν να τα σταματήσουν 3-4 φύλλα χαρτιού		φτάνουν  στην επιφάνεια της Γης.
Ετσι η ακτινοβολία άλφα έχει μικρή σημασία για το CERN, αλλά καθώς εκπέμπεται από το αέριο ραδόνιο, το οποίο δραπετεύει από το φλοιό της γης, αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό μέρος της φυσικής ακτινοβολίας στον αέρα που αναπνέουμε.	Κοσμικές ακτίνες μεγάλης ενέργειας συγκρούονται με άτομα στην κορυφή της ατμόσφαιρας και γεννούν καταιγισμούς σωματιδίων που

Πηγές ακτινοβολίας β, όπως το στοιχείο Ρουθήνιο-106, χρησιμοποιούνται στο CERN στον έλεγχο της απόκρισης των ανιχνευτών σε ηλεκτρόνια.

Τα σωματίδια βήτα, δηλαδή ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια (θετικά φορτισμένα ηλεκτρόνια), έχουν σχετικά μικρή ενέργεια και διαπεραστική ικανότητα. Εντούτοις, υπερβολική έκθεση σε ακτινοβολία βήτα μπορεί να αποδειχθεί επιβλαβής για το δέρμα και τα μάτια (τους φακούς). Λίγα χιλιοστά μολύβδου είναι αρκετά για να σταματήσουν τα σωματίδια βήτα.  Στο CERN, ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια επιταχύνονται  σε πολύ υψηλές ενέργειες σε μορφή δέσμης σωματιδίων. Μέτρα από προστατευτικό υλικό εγκαθίστανται προκειμένου να σταματήσουν αυτά τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια υψηλής ενέργειας.

Η ακτινοβολία γάμμα, δηλαδή φωτόνια υψηλής ενέργειας, συχνά συνοδεύει τη ραδιενέργεια α και β. Οι ακτίνες γ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως οι ακτίνες-Χ, αλλά έχουν μεγαλύτερη διαπεραστική ικανότητα γιατί έχουν υψηλότερη ενέργεια.

Μια ισχυρή πηγή ακτινοβολίας γ, από το στοιχείο Καίσιο-137, βρίσκεται στην καρδιά της μονάδας ακτινοβόλησης γ (GIF). Η μονάδα αυτή  χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των ανιχνευτών του μελλοντικού επιταχυντή στο CERN, που λέγεται Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων, LHC (Large Hadron Collider).

Στο CERN δημιουργείται πολύ μεγαλύτερη ποικιλία σωματιδίων, αλλά λόγω του μικρού σχετικά αριθμού τους δεν έχουν σημασία, όσον αφορά τις συνέπειες από την ακτινοβολία. Τα μιόνια ωστόσο αποτελούν εξαίρεση. Αλληλεπιδρούν με την ύλη με τον ίδιο τρόπο όπως τα ηλεκτρόνια, αλλά επειδή είναι βαρύτερα είναι πολύ περισσότερο διεισδυτικά και απαιτούν προσεκτική χρήση θωράκισης. Τα νετρίνα παράγονται, επίσης, σε όλες σχεδόν τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων. Δεν παράγονται μόνο στο CERN αλλά και σε μεγάλη αφθονία στον Ηλιο. Η αλληλεπίδραση των νετρίνων με την ύλη είναι τόσο ασθενής ώστε μπορούν να διαπεράσουν τη Γη σα να μην υπήρχε στο δρόμο τους. Επομένως, η διέλευσή τους από το ανθρώπινο σώμα δεν έχει βιολογικές επιπτώσεις.
 

Τα όρια δόσης και η μέτρηση της ακτινοβολίας

Τα οφειλόμενα στην ακτινοβολία βιολογικά αποτελέσματα στον άνθρωπο, εξαρτώνται από την ενέργεια που απορροφάται και την κατανομή της στο σώμα, καθώς όλα τα όργανα και οι ιστοί δεν επιδεικνύουν την ίδια ευαισθησία στην ακτινοβολία. Η ποσότητα που χρησιμοποιείται για να εκφράσει το όριο κινδύνου από την ακτινοβολία λαμβάνει υπόψη αυτή τη διαπίστωση. Πρόκειται για μια μέση απορροφώμενη δόση, η οποία ονομάζεται ενεργός δόση και η μονάδα μέτρησής της ονομάζεται σίβερτ (sievert, Sv).

Στις διαγνωστικές εφαρμογές των ακτίνων-Χ και στα μέτρα προστασίας από την ακτινοβολία, οι σχετικές τιμές  είναι πολύ μικρότερες από 1 sievert. Κατά τη διάρκεια μιας συνήθους ακτινογραφίας θώρακα, ο ασθενής λαμβάνει δόση ίση με ένα χιλιοστό του sievert ή ένα 1 mSv. Οι κοσμικές ακτίνες δημιουργούν ένα φυσικό επίπεδο ακτινοβολίας της τάξης του ενός τρίτου του mSv ετησίως. Στη περιοχή της Γενεύης, η ακτινοβολία από το φλοιό της Γης φθάνει περίπου το μισό mSv ανά έτος.

Σταθμοί ελέγχου ακτινοβολίας μέσα και στον περίγυρω του CERN, δίνουν συνεχείς πληροφορίες για το επίπεδο της ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις λαμβάνονται ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από το CERN, τις Γαλλικές και τις Ελβετικές αρχές.

 

Τοποθέτηση δισιμέτρων στη σήραγγα του μεγαλύτερου επιταχυντή του CERN, του Μεγάλου Επιταχυντή Συγκρουομένων Δεσμών Ηλεκτρονίων Ποζιτρονίων, LEP.

Η ακτινοβολία πρέπει να μετράται κατάλληλα, ώστε να είναι βέβαιο ότι τα επίπεδα έκθεσης των ανθρώπων είναι εντός των διεθνώς αποδεκτών ορίων δόσης. Οι δόσεις μετρώνται με κατάλληλα όργανα, ώστε να μετρούν σωστά τους διάφορους τύπους ακτινοβολίας που απαντώνται σε ένα εργαστήριο, όπως το CERN. Ενεργοί ανιχνευτές δίνουν πληροφορίες για τους ρυθμούς δόσης κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των επιταχυντών, ενώ παθητικοί ανιχνευτές χρησιμοποιούνται για να μετρούν συσσωρευτικά δόσεις σε όρισμένες χρονικές περιόδους. Ατομικά καθώς και περιβαλοντολογικά δοσίμετρα μετρούν επακριβώς δόσεις τόσο χαμηλές όσο ένα εκατομμυριοστό του sievert, ή μSv (microsievert).

 
 

Καθώς όλο και περισσότερα πράγματα γίνονται γνωστά σχετικά με την επίδραση της ακτινοβολίας στον άνθρωπο, τροποποιούνται και οι βασικές κατευθύνσεις σχετικά με την έκθεση στην ακτινοβολία. Αρχικά τα όρια καθορίζονταν με βάση παρατηρήσεις της ποσότητας της ακτινοβολίας που μπορεί κάποιος να αντέξει, έως ότου γίνουν εμφανή τα βιολογικά αποτελέσματα. Σήμερα χρησιμοποιείται μια νέα προσέγγιση βασιζόμενη στο επίπεδο κινδύνου, η οποία αποσκοπεί στην ελαχιστοποίησηι του κινδύνου της βλάβης που είναι δυνατόν να προκληθεί.  Το όριο δόσης αναφοράς στο CERN είναι 15 mSv ανά έτος, για άτομα που εκτίθενται κατά τη διάρκεια της εργασίας τους. Για αυτή τη κατηγορία ανθρώπων η Ευρωπαϊκή Οδηγία είναι 20 mSv ανά έτος, αλλά για το κοινό ισχύει ένα αυστηρότερο όριο δόσης, δηλαδή 1 mSv. Από το 1980, όταν αυτά τα όρια άρχισαν να εφαρμόζονται στο CERN, κανείς δεν έχει υπερβεί το ετήσιο όριο δόσης. Το 1997 η μέση δόση έκθεσης των εργαζομένων στο CERN κατά τη διάρκεια της εργασίας τους, ήταν μόλις 0,18 mSv.

Η συμμετοχή των δραστηριοτήτων του CERN στα επίπεδα ακτινοβολίας των γειτονικών σ' αυτό περιχώρων της Γενέυης, δεν ξεπερνά το 3 % του επίπέδου της φυσικής ακτινοβολίας

Η προστασία από την ακτινοβολία
 

Στο CERN οι δέσμες σωματιδίων υψηλών ενεργειών χρησιμοποιούνται για να διερευνηθεί η φύση της ύλης και οι ραδιενεργές πηγές χρειάζονται για την ευθυγράμμιση και τον έλεγχο των ανιχνευτών που χρησιμοποιούνται στην έρευνα αυτή. Καθεμία από αυτές τις δραστηριότητες ενέχει τους δικούς της ιδιαίτερους κινδύνους από την ακτινοβολία και γι' αυτό χρειάζονται και εφαρμόζονται διαφορετικά μέτρα προστασίας.  Οταν ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια υψηλής ενέργειας αναγκάζονται να κινηθούν σε καμπύλες τροχιές, εκπέμπουν εξαιρετικά ενεργές ακτίνες-Χ, οι οποίες αποκαλούνται ακτινοβολία συγχρότρου (synchrotron radiation). Αυτό σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια λειτουργίας του μεγαλύτερου επιταχυντή στο CERN, του Μεγάλου Επιταχυντή Συγκρουομένων Δεσμών Ηλεκτρονίων - Ποζιτρονίων, LEP (Large Electron Positron Collider), η είσοδος στη σήραγγα του επιταχυντή απαγορεύεται. Εάν κάποιος επιχειρήσει να εισέλθει ενώ ο επιταχυντής είναι σε λειτουργία, οι δέσμες σταματούν αυτόματα. Χωρίς την παρουσία των δεσμών, η σήραγγα του LEP είναι ασφαλής. Πρίν επαναλειτουργήσει ο επιταχυντής, ελέγχεται ολόκληρη η περιοχή ώστε να διασφαλισθεί ότι δεν έχει παγιδευθεί κάποιος μέσα στη σήραγγα.

Τα επίπεδα της ακτινοβολίας στην περιοχή της Γενέυης. Οι τιμές αυξάνονται γρήγορα σε υψηλά υψόμετρα, λόγω της κοσμικής ακτινοβολίας.

 
 

Τα επίπεδα ακτινοβολίας στα υπόγεια πειράματα του CERN είναι μικρότερα από αυτά της επιφάνειας, λόγω της σοβαρής απορρόφησης της κοσμικής ακτινοβολίας.

Αντίθετα, στους επιταχυντές πρωτονίων και ιόντων μολύβδου στο CERN, οι κίνδυνοι είναι διαφορετικοί. Οι δέσμες δεν εκπέμπουν ακτινοβολία συγχρότρου, αλλά όταν προσκρούουν σε τμήματα του επιταχυντή παράγουν ακτινοβολία. Προκειμένου να περιορισθεί στο ελάχιστο η ακτινοβολία που προκαλείται με αυτόν τον τρόπο, λαμβάνεται μεγάλη φροντίδα ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο αριθμός σωματιδίων της δέσμης που προσκρούουν σε όργανα του επιταχυντή. Η προσπάθεια αυτή αποτρέπει την ραδιοενεργοποίηση του εξοπλισμού, αλλά ευνοεί επίσης τα πειράματα που διεξάγονται, διότι όσο λιγότερα πρωτόνια χάνονται μέσα στον επιταχυντή (από αυτές τις προσκρούσεις), τόσο περισσότερα είναι διαθέσιμα για τα πειράματα.  Οταν σταματήσει η λειτουργία των επιταχυντών πρωτονίων, οι τεχνικοί που ασχολούνται με την προστασία από την ακτινοβολία μετρούν τα επίπεδα ακτινοβολίας των τμημάτων του επιταχυντή. Οι άνθρωποι που καλούνται να  εργασθούν σε περιοχές με ακτινοβολία είναι καλά πληροφορημένοι, κατάλληλα εκπαιδευμένοι και πρέπει να είναι εφοδιασμένοι με προσωπικούς δοσομετρητές, οι οποίοι κατά περιοδικά διαστήματα ελέγχονται και αξιολογούνται. Τα ραδιοενεργοποιημένα μέρη του εξοπλισμού τα οποία δεν χρησιμοποιούνται πλέον, απομακρύνονται από τους επιταχυντές και αποθηκεύονται, μέχρις ότου είναι ασφαλή (ως προς την ακτινοβολία που εκπέμπουν) για πλήρη αχρήστευση.

 
 

Το CERN κρατά σταθερά τα επίπεδα της ακτινοβολίας στις εγκαταστάσεις του και στον περιβάλλοντα χώρο. Το όριο της ετήσιας δόσης που οφείλεται στη δραστηριότητα του CERN έχει καθοριστεί,  στο χώρο της περίφραξης (δηλαδή στα όρια) του εργαστηρίου στα 0,3 mSv. Το 1997 η οφειλόμενη στις δραστηριότητες του CERN ενεργός δόση (effective dose) ήταν μόλις 0,027 mSv, δηλαδή το 3 % του επιπέδου της φυσικής ακτινοβολίας στη περιοχή της Γενεύης.

Οι φυσικοί που εργάζονται στα πειράματα του CERN, φορούν συνεχώς  προσωπικά δοσίμετρα

 

Περισσότερες πληροφορίες για το CERN, θα βρείτε στο World-Wide-Web,  το οποίο είναι και επινόηση του Εργαστηρίου: http://www.cern.ch/

Communication & Public Education Group.  CERN, 1211 Geneva 23, Switzerland  April 1998