Radon Inhalation Experiments to Test Radon Exhalation Kinetics

Fojtík, Pavel; Hůlka, Jiřı́; Bartl, P.; Jílek, K.; Малатова, И.; Kotík, L; Rulík, Petr; Rubovič, Peter; Štekl, I.

doi:10.1093/rpd/ncaa144

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“…Although the radon levels experienced in the Fojtik experiment [23] are extremely high compared to those of the present study, it is furthermore assumed that the fitting curve derived with eq. (3.3) is applicable also to low radon environments by setting different radon concentrations for the inhaled air and the exhalation phase, as will be explained in section 4.3.…”

Section: Operatorsmentioning

confidence: 87%

“…Its dynamics has been the subject of several studies in the past, and different biokinetics models for radon have been also proposed to address the human body behavior. In the present analysis, we will refer to the work of Fojtik et al [23], where several inhalation experiments were carried out to measure the radon exhalation rate. Data published in [23] have been interpolated to derive a suitable correlation to be used for the present numerical simulations.…”

Section: Operatorsmentioning

confidence: 99%

“…In the present analysis, we will refer to the work of Fojtik et al [23], where several inhalation experiments were carried out to measure the radon exhalation rate. Data published in [23] have been interpolated to derive a suitable correlation to be used for the present numerical simulations. The curve best fitting experimental data is a double exponential function as reported in figure 2 and eq.…”

Section: Operatorsmentioning

confidence: 99%

“…(3.3) is a correction factor necessary to balance the asymptotic exhalation rate, since the measured value of about 0.37 Bq/min (see figure 2) is inconsistent with the exhalation chamber radon concentration of 5 Bq/m 3 , declared in ref. [23].…”

Section: Operatorsmentioning

confidence: 99%

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Numerical analysis of radon behavior in radon-suppressed clean room environments

2022

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Radon-free clean rooms are essential for the production and assembly of components adopted in low-background experiments. In particular, long-lived radon decay products are often problematic for rare events searches, such as low energy neutrino interactions, direct dark matter detection, and neutrinoless double beta decay. These isotopes can easily deposit onto surfaces exposed to radon, leading to a residual background that can limit the sensitivity of experiments. In order to mitigate this background source, construction of detectors in radon-reduced environments is essential. In this framework, design and building of radon-suppressed clean rooms require a deep understanding of the radon behavior and the different sources of contamination. In the paper, computation fluid-dynamics (CFD) analyses of the radon-suppressed clean rooms built for the DarkSide-50 experiment are reported. The numerical model including the main radon contributions, such as structural materials, equipment, and operators activity, provides very promising results in a remarkable agreement with available experimental data, confirming the validity of the current modelling approach for future applications.

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Section: Operatorsmentioning

confidence: 87%

Section: Operatorsmentioning

confidence: 99%

Section: Operatorsmentioning

confidence: 99%

Section: Operatorsmentioning

confidence: 99%

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Numerical analysis of radon behavior in radon-suppressed clean room environments

2022

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“…Hierbei diundiert Radon in den Alveolen durch die Blut-Luft-Schranke in das Blut, wobei die ICRP aufgrund des sehr groÿen Oberächen-Volumen-Verhältnis und der geringen Diffusionsbarriere davon ausgeht, dass die Sättigung von Radon im Blut schnell erreicht wird [10]. Aktuellere Messungen der Ausatemluft nach der Inhalation von Radon haben jedoch gezeigt, dass signikant weniger Radon direkt ausgeatmet wird, als bisher angenommen [63]. Auch die Messung der Radon-Zerfallsprodukte in einem Patienten im Bereich des Thorax und des Abdomens nach einstündiger Radonexposition zeigte höhere Dosiswerte, als in bisherigen Modellen angenommen [6].…”

Section: Photonen-strahlungunclassified

Inkorporation bei Radonexposition : Radonverteilung im Blut und Deposition der Zerfallsprodukte im Lungenmodell

Hinrichs

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Das radioaktive Edelgas Radon und seine ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukte machen den größten Teil der natürlichen Strahlenbelastung in Deutschland aus. Trotz der Einstufung als krebserregend für Lungenkrebs wird es zur Therapie entzündlicher Krankheiten eingesetzt. Der hauptsächliche Aufnahmemechanismus ist dabei die Inkorporation über die Atmung, wobei Radon auch über die Haut aufgenommen werden kann. Radon wird dabei über das Blut im gesamten Körper verteilt und kann in Gewebe mit hoher Radonlöslichkeit akkumulieren. Die Zerfallsprodukte verbleiben jedoch in der Lunge, zerfallen dort, bevor sie abtransportiert werden können und schädigen das dortige Gewebe. Die Lungendosis wird laut Simulationen zum größten Teil durch die kleinsten Radon-Zerfallsprodukte (< 10 nm) bestimmt, die besonders effektiv im Respirationstrakt anheften. Die erzeugte Dosis ist dabei aufgrund der inhomogenen Anlagerung der Zerfallsprodukte lokal stark variabel. In Simulationen wurden Bifurkationen als Ort besonders hoher Deposition identifiziert, wobei die experimentelle Datenlage zur Deposition kleinster Radon-Zerfallsprodukte eingeschränkt ist. Aufgrund des Anstiegs der Komplexität von Simulationen oder Experimenten wird in den meisten Betrachtungen nicht der oszillatorische Atemzyklus berücksichtigt, sondern lediglich ein einseitig gerichteter Luftstrom betrachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein experimentelles Modell entwickelt und etabliert, das die Messung der Deposition von Radon-Zerfallsprodukten ermöglicht und zwischen drei Größenfraktionen (Freie Zerfallsprodukte: < 10 nm, Cluster: 20-100 nm, Angelagerte Zerfallsprodukte: > 100 nm) unterscheiden kann. Der Luftfluss durch das Modell bildet sowohl die Inhalation als auch die Exhalation ab. Erste Experimente mit dem neu entwickelten Messaufbau konnten die aus Simulationen bekannte erhöhte Deposition der freien Zerfallsprodukte in einer Bifurkation abbilden. Die Vergrößerung des Bifurkationswinkels von 70° auf 180° zeigte lediglich einen minimalen Anstieg in der Größenordnung des Messfehlers. Der dominierende Prozess der Anlagerung der freien Zerfallsprodukte ist die Brown'sche Molekularbewegung, die unabhängig vom Bifurkationswinkel ist. Dennoch kann ein veränderter Winkel die Luftströmung und entstehende Turbulenzen verändern, wodurch die Deposition beeinflusst werden kann. Dies lässt sich jedoch mit dem hier benutzten Messaufbau nicht auflösen. Entgegen der Beobachtungen in der Literatur führte die Erhöhung der Atemfrequenz von 12 auf 30 Atemzüge pro Minute, in den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimenten, zu keiner messbaren Veränderung der Deposition. Diese Beobachtung ist auf die Entstehung gegensätzlicher Effekte zurückzuführen. Einerseits führt eine schnellere Luftströmung zu kürzeren Aufenthaltszeiten der freien Zerfallsprodukte im Modell, wodurch die Deposition unwahrscheinlicher wird. Andererseits entstehen vermehrt sekundäre Strömungen und absolut betrachtet werden mehr Partikel durch das Modell gepumpt. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Effekte im hier getesteten Bereich aufheben. Als potentielle Schutzmaßnahme zur Reduktion der Lungendosis konnte im Rahmen dieser Arbeit die Filtereffzienz von Gesichtsmasken (OP-Masken, FFP2 Masken) gegenüber Radon und seinen Zerfallsprodukten bestimmt werden. Während Radon nicht gefiltert wird, wurden die freien Zerfallsprodukte fast vollständig (> 98%) und die Cluster zum größten Teil (≈ 80 %) zurückgehalten. Radon selbst kann im gesamten Organismus verteilt werden und dort in Gewebe akkumulieren. Zur Bestimmung der Dosis wird dabei auf biokinetische Modelle zurückgegriffen. Diese sind von der Qualität ihrer Eingabeparameter abhängig, wobei beispielsweise die Werte zur Verteilung von Radon zwischen Blut und Gewebe auf experimentell gewonnenen Löslichkeitswerten aus Mäusen und Ratten beruhen. Unbekannte Werte werden von der Internationalen Strahlenschutzkommission basierend auf der Gewebezusammensetzung als gewichteter Mittelwert berechnet. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit in humanen Blutproben und wässrigen Lösungen verschiedener Konzentrationen der Blutproteine Hämoglobin und Albumin bestimmt. Es löste sich mehr Radon in Plasma als in Erythrozytenkonzentrat und Vollblut. Die Protein-Lösungen zeigten keine Konzentrationsabhängigkeit der Löslichkeit, sondern lediglich in hitzedenaturiertem Hämoglobin wurde eine niedrigere Löslichkeit gemessen. Basierend auf diesen Beobachtungen, sollte die These überprüft werden, ob sich die Löslichkeit einer Mischung als gewichteter Mittelwert der einzelnen Löslichkeiten berechnen lässt. Daher wurden diese in einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten (1-Pentanol, Ölsäure) bestimmt. Die experimentell bestimmte Löslichkeit war dabei fast doppelt so groß wie der berechnete Wert. Dieser Unterschied kann dadurch zustande kommen, dass bei einer Berechnung basierend auf der Zusammensetzung die Wechselwirkungen zwischen den Lösungsmitteln vernachlässigt werden. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit experimenteller Daten zur Verteilung und Lösung von Radon in verschiedenem Gewebe.

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In-vivo dose determination in a human after radon exposure: proof of principle

Papenfuß

Maier

Fournier

et al. 2022

Radiat Environ Biophys

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Radon-222 is pervasive in our environment and the second leading cause of lung cancer induction after smoking while it is simultaneously used to mediate anti-inflammatory effects. During exposure, radon gas distributes inhomogeneously in the body, making a spatially resolved dose quantification necessary to link physical exposure conditions with accompanying risks and beneficial effects. Current dose predictions rely on biokinetic models based on scarce input data from animal experiments and indirect exhalation measurements of a limited number of humans, which shows the need for further experimental verification. We present direct measurements of radon decay in the abdomen and thorax after inhalation as proof of principle in one patient. At both sites, most of the incorporated radon is removed within ~ 3 h, whereas a smaller fraction is retained longer and accounts for most of the deposited energy. The obtained absorbed dose values were $$1.5 \pm 0.3$$ 1.5 ± 0.3 µGy (abdomen, radon gas) and $$1.1 \pm 0.4$$ 1.1 ± 0.4 µGy (thorax, radon and progeny) for a one-hour reference exposure at a radon activity concentration of 55 kBq m−3. The accumulation of long-retained radon in the abdomen leads to higher dose values at that site than in the thorax. Contrasting prior work, our measurements are performed directly at specific body sites, i.e. thorax and abdomen, which allows for direct spatial distinction of radon kinetics in the body. They show more incorporated and retained radon than current approaches predict, suggesting higher doses. Although obtained only from one person, our data may thus represent a challenge for the barely experimentally benchmarked biokinetic dose assessment model.

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Radon Inhalation Experiments to Test Radon Exhalation Kinetics

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Numerical analysis of radon behavior in radon-suppressed clean room environments

Numerical analysis of radon behavior in radon-suppressed clean room environments

Inkorporation bei Radonexposition : Radonverteilung im Blut und Deposition der Zerfallsprodukte im Lungenmodell

In-vivo dose determination in a human after radon exposure: proof of principle

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