1. Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása (2-34) Gondolat, 1976
2. Fizikai dózisfogalmak (35-41) 3. A sugárzás mérése (42-47) KAD 2010.09.15
2
Prefixumok
levegőben (átlagosan) 1 ionpár keltéséhez 34 eV = 5.4 aJ energia szükséges
3
yotta
Y
1024
zetta
Z
1021
exa
E
1018
peta
P
1015
tera
T
1012
giga
G
109
mega
M
106
kilo
k
103
hekto
h
102
deka
da
101
deci
d
10-1
centi
c
10-2
milli
m
10-3
mikro
μ
10-6
nano
n
10-9
piko
p
10-12
femto
f
10-15
atto
a
10-18
zepto
z
10-21
yocto
y
10-24
3 nagyságrendenként külön prefixum
minden nagyságrendre külön prefixum
3 nagyságrendenként külön prefixum 4
Alfa-sugárzás és az anyag kölcsönhatása
pályája egyenes (v. atommagon szóródás)
alfa-részecske: He atommag
αforrás
elektromos töltése: 2e+ kezdő sebesség több mint 1000 km/s kinetikus energia néhány MeV
α-részecskéjének fajlagos ionizációja (levegő esetén) a megtett út függvényében
214Po
ionizálóképesség jellemzése lineáris ionsűrűség (fajlagos v. specifikus ionizáció) l hosszúságú úton n db ionpárt hoz létre
árnyékolás
(Rontó - Tarján 3.1 ábra) 5
hatótávolság (R, Reichweite): az a távolság, amit egy részecske a közegben befut, míg energiája a termikus értékre nem csökken pl. Ra: R (levegőben) = 3.4 cm,
6
Béta-sugárzás és az anyag kölcsönhatása
R (folyadékban) = 10-100 µm
fékezőképesség: egységnyi úthosszra vonatkoztatott energia veszteség (a közeg szempontjából) lineáris energia átadás (LET, Linear Energy Transfer) (a részecske szempontjából) LET = (lineáris ionsűrűség) . (1 ionpár keltésére jutó energia) egyéb hatások: (ionizáció/gerjesztések) karakterisztikus röntgen-sugárzás szcintilláció biológiai: funkcionális és morfológiai elváltozások végül: hő atommaggal való ütközés: magreakció (kis valószínűséggel) 7
béta-részecske: elektron (vagy pozitron) elektromos töltése: 1e– (vagy 1e+) lineáris ionsűrűség: az alfáénál 1000-szer kisebb pályája zegzugos (az elektron szóródik az elektronokon), visszaszórás is lehet spektruma folytonos (antineutrinó!), így nincs egységes hatótávolság levegőben: 10 cm- 1 m víz (szövet): 1 mm-1cm
8
Töltéssel rendelkező részecskék Sugárzás és anyag kölcsönhatása fajlagos ionizációja levegőben ionpár/1mm levegő α-részecske
1000
32P
proton
100
β-spektruma
(Rontó - Tarján 3.2 ábra)
elektron 10 0,01
0,1
β sugárzás maximális hatótávolsága a maximális energia függvényében
1
Az α-, a β- és a proton sugárzás átlagos fajlagos ionizációja a részecske energia függvényében, a levegőben
16
as
(Rontó - Tarján 3.3 ábra)
9
10
kitérő
kitérő
Eloszlás sűrűségfüggvény ΔN Δh
H: kollektív magasság
⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ 10 cm ⎟⎟ ⎝ ⎠
ΔH Δh
Spektrum
160 170 180 190 200 210
Spektrum mint speciális eloszlás sűrűségfüggvény
11
görbe alatti terület: H
20
1 0
h
60 40
H 2
ΔH Δh
görbe alatti terület: n
h (cm)
0
3
4
80
100
h: testmagasság
⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ 10 cm ⎟⎟ ⎝ ⎠
5
ΔN Δh
Eloszlás sűrűségfüggvény
160 170 180 190 200 210 h (cm)
12
Gamma/röntgen-sugárzás anyaggal való kölcsönhatása
13
14
15
16
(találkozik egy elektronnal) annihiláció
17
A sugárzás leírására használható fizikai mennyiségek energia E
teljesítmény
[J]
P=
ΔE Δt
⎡J ⎤ ⎢s = W⎥ ⎣ ⎦
ΔP ΔA
A sugárintenzitás gyengülése elegendően vékony (Δx) abszorbensre:
intenzitás J=
18
⎡W⎤ ⎢ m2 ⎥ ⎣ ⎦
x (makroszkopikus) vastagságú abszorbensre:
energia áram
ΔJ = − μJΔx ΔJ = − μJ Δx J = J 0e − μ x μ:
(Power)
μ=
spektrum is!
gyengítési együttható
0,693 D
?
2.6 ⋅ 10 21 ⋅ 1 eV = 2.6 ⋅ 1017 ⋅ 10 4 eV 19
pl. D = 2 cm
D felezési rétegvastagság
20
A sugárintenzitás gyengülése
J = J 0e − μ x
J = J 0e − μm xm
μ = μ (Z, ρ ; ε )
μ m = μ m (Z; ε )
gyengítési együttható
tömeggyengítési együttható
μ=
0,693 D
μm =
részleges gyengítési eh.-k
J = J 0e − μ x a kitevő:
μm =
μ ρ
sűrűség
0,693 Dm
μm = τ m + σ m + κ m
− μx = − μ m ρx = −ε *cx = −σnx moláris konc.
μ = μ (Z, ρ ; ε )
gyengítési együttható, 1/cm
μ m = μ m (Z; ε )
tömeggyengítési együttható, cm2/g
ε*
moláris extinkciós együttható, L/(mol*cm)
σ
hatáskeresztmetszet, cm2
21
Gyengítési együttható
részecske konc.
22
Tömeggyengítési együttható
23
24
μm fotonenergiától és az abszorbens minőségétől való függése
Gyengítési/tömeggyengítési együttható
25
μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése ólom esetén
26
μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése víz esetén
27
28
∑ (f Z ) i
3 i
vezető kölcsönhatás
Effektív rendszámok
80
anyag
Zeff
60
zsír
6-7
levegő
7.26
víz
7.5
40
fotoeffektus
Compton effektus
lágy szövet 7-8
29
csont
12-14
jód
53
bárium
56
ólom
82
20
1 keV
Neutronsugárzás egyes magreakciók terméke, bombázott atommagok gerjesztett állapotba kerülnek, felesleges energiájuktól neutronkibocsátással szabadulnak meg elektromos töltéssel nem rendelkezik, ezért csak közvetve ionizál; a kölcsönhatások fajtái: rugalmas szóródás (rugalmas ütközés, proton és neutron tömege egyenlő), a proton ionizál rugalmatlan szóródás (jellemzően 5 MeV felett): a neutronnal kölcsönható atommag gerjesztett állapotba kerül, majd γ vagy alfa kibocsátás neutronbefogás (a termikus neutron beépül az atommagba): radioaktív izotóp keletkezik maghasítás (>100 MeV): magtöredékek, n-ok, γ-sugárzás 31
párképződés
rendszám, Z
Zeff = 3
10 keV
100 keV
1 MeV
10 MeV
30
100 MeV
Protonsugárzás Bragg csúcsok
protonok közegbeli kölcsönhatása nagyon hasonló az alfa sugárzáséhoz a felülethez közeli rétegekben csak kicsi a lefékeződés
különböző energiájú protonsugárzá s behatolása vízbe (DFS 2.67 ábra)
a Bragg csúcshoz tartozó behatolási mélység: hatótávolság terápiás felhasználás! 32
alfa áthatolóképesség nagyon kicsi veszélyesség belső védelem
papír
béta kicsi
gamma nagyon nagy külső
belső/ külső műanyag ólom, beton
neutron nagyon nagy külső víz, beton
.
.
33
2. Fizikai dózis-fogalmak elnyelt dózis = D=
Sugárterhelés és dózisszintek
elnyelt energia tömeg
ΔE ΔE = Δm ρΔV
34
halálos dózis (LD):
[D] =
J = Gy kg
(Gray)
az a dózismennyiség, amely 30 napon belül a besugárzott személyek 100 %-ának a halálához vezet, LD> 8 Gy teljes test besugárzás esetén
érvényesség:
félhalálos dózis (LD50):
minden ionizáló sugárzásra korlátozás nélkül
az a dózismennyiség, amely 30 napon belül a besugárzott személyek 50 %-ának a halálához vezet, LD50> 5-8 Gy teljes test besugárzás esetén
régi egység:1 rad = 0,01 Gy 35
36
A besugárzási és az elnyelt dózis kapcsolata
besugárzási dózis =
X=
ΔQ Δmlevegő
(létrehozott pozitív) töltés (levegő) tömeg
ΔQ = ρlevegő ΔV
[X ] =
levegőben átlagosan 34 eV szükséges egy ionpár keltéséhez D = f ·X , ahol f = 34 J/C lev
0
0
kis részecskeenergia esetén <0.6 MeV< nagy részecskeenergia esetén
C kg
Dlev
érvényesség:
?
– Röntgen és gamma sugárzásra
Dszöv
– levegőben – 3 MeV alatt – elektronegyensúly esetén
Elektronegyensúly
tömeggyengítési együttható
37
kis fotonenergia esetén < 0.6 MeV
Bragg-Gray elv
tömegfékező 38 képesség
nagy fotonenergia esetén > 0.6 MeV
szövet a V térfogatból kilépő és az abba belépő elektronok száma megegyezik (levegőekvivalens) fekete pontok: primer elektronok fekete vonalak: szekunder elektronok
39
levegővel telt üreg kamrafal olyan vékony kamrafal, hogy az elektronok akadály nélkül behatolnak
az ionsűrűség a mérőüregben megyezik a szövetivel
szövetekvivalens kamrafal
40
3. A sugárzások mérése
dózisteljesítmény
dózis kiszámítása pontszerű gamma sugárforrás esetén levegőben néhány sugárforrás dóziskonstansa
forrás
41
42
Szcintillációs számláló
Ionizációs kamra
43 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005
A: rekombináció B: ionizációs kamra (összegyűjti az összes iont, a sugárzás ionizáló hatását méri) C: proporcionális tartomány 44 D: Geiger tartomány (lavina effektus)
Zsebkamra doziméter
Filmdoziméter
GM-csöves számlálók
film fényzáró tokban megfeketedése arányos az ionizáló sugárzás dózisával két réteg: érzékenyebb (50 mSv-50 mSv) érzéketlenebb (50 mSv-10 Sv). szűrők: műanyag, Al, Pb, stb. lehetővé teszik a sugárzás fajtájának és energiájának megállapítását, hátrányok: csekély pontosság, utólagos kiértékelés (pl. 1 hónap). 45 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005
46 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005
Termolumineszcens dózismérő az elektronok” csapdába” kerülnek gyűrűbe foglalt TLDkapszula (a kéz sugárterhelésének detektálására), ill. a magyar fejlesztésű „PILLE” nevű termolumineszcens doziméter kiértékelő egysége az űrben (Sally Ride 1984). 47
