Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása. A sugárzások mérése KAD 2009.04.06
1. Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása
levegőben (átlagosan) 1 ionpár keltéséhez 34 eV = 5.4 aJ energia szükséges
1
Prefixumok
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
2
Alfa-sugárzás és az anyag kölcsönhatása
alfa-részecske: He atommag minden nagyságrendre külön prefixum
elektromos töltése: 2e+ kezdő sebesség több mint 1000 km/s kinetikus energia néhány MeV
3 nagyságrendenként külön prefixum 3
ionizálóképesség jellemzése lineáris ionsűrűség (fajlagos v. specifikus ionizáció) l hosszúságú úton n db ionpárt hoz létre 4
pályája egyenes (v. atommagon szóródás)
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,
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) x (1 ionpár keltésére jutó energia)
αforrás α-részecskéjének fajlagos ionizációja (levegő esetén) a megtett út függvényében
214Po
árnyékolás
(Rontó - Tarján 3.1 ábra) 5
egyéb hatások: (ionizáció/gerjesztések) karakterisztikus röntgen-sugárzás szcintilláció biológiai: funkcionális és morfológiai elváltozások végül: hő atommaggal való ütközés: magreakció (kis valószínűséggel) 6
Töltéssel rendelkező részecskék Sugárzás és anyag kölcsönhatása fajlagos ionizációja levegőben
Béta-sugárzás és az anyag kölcsönhatása
ionpár/1mm levegő
béta-részecske: elektron (vagy pozitron)
α-részecske
1000
elektromos töltése: 1e– (vagy 1e+) lineáris ionsűrűség: az alfáénál 1000-szer kisebb pályája zegzugos (az elektron szóródik az elektronokon), visszaszórás is lehet
elektron 10
spektruma folytonos (antineutrinó!), így nincs egységes hatótávolság levegőben: 10 cm- 1 m víz (szövet): 1 mm
proton
100
0,01
0,1
1
Az α-, a β- és a proton sugárzás átlagos fajlagos ionizációja a részecske energia függvényében, a levegőben 7
16
as 8
kitérő
Eloszlás sűrűségfüggvény ΔN Δh
32P
h: testmagasság
⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 10 cm ⎠
H: kollektív magasság
β-spektruma
(Rontó - Tarján 3.2 ábra)
ΔH Δh
H
β sugárzás maximális hatótávolsága a maximális energia függvényében
h
(Rontó - Tarján 3.3 ábra) 9
Spektrum mint speciális eloszlás sűrűségfüggvény
10
kitérő
⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ 10 cm ⎟⎟ ⎝ ⎠
60 40
görbe alatti terület: n
görbe alatti terület: H
160 170 180 190 200 210 h (cm)
0
1
20
2
3
4
80
5
ΔH Δh
0
ΔN Δh
Gamma/röntgen-sugárzás anyaggal való kölcsönhatása
Spektrum 100
Eloszlás sűrűségfüggvény
160 170 180 190 200 210 h (cm)
11
12
13
14
(találkozik egy elektronnal) annihiláció
15
16
A sugárzás leírására használható fizikai mennyiségek energia E
teljesítmény
[J]
P=
ΔE Δt
⎡J ⎤ ⎢s = W⎥ ⎦ ⎣
intenzitás J=
ΔP ΔA
⎡W⎤ ⎢ m2 ⎥ ⎣ ⎦
energia áram (Power)
spektrum is! ?
2.6 ⋅ 10 21 ⋅ 1 eV = 2.6 ⋅ 1017 ⋅ 10 4 eV 17
18
A sugárintenzitás gyengülése
A sugárintenzitás gyengülése elegendően vékony (Δx) abszorbensre: x (makroszkopikus) vastagságú abszorbensre:
ΔJ = − μJΔx ΔJ = − μJ Δx J = J 0e − μ x μ:
μ= pl. D = 2 cm
gyengítési együttható
0,693 D
D felezési rétegvastagság
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=
19
0,693 D
μm =
részleges gyengítési eh.-k
μm =
μ ρ
0,693 Dm
μm = τ m + σ m + κ m
20
J = J 0e a kitevő:
Gyengítési együttható
−μ x
− μx = − μ m ρx = −ε *cx = −σnx sűrűség
moláris konc.
részecske 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
Tömeggyengítési együttható
22
Gyengítési/tömeggyengítési együttható
23
24
μm fotonenergiától és az abszorbens minőségétől való függése
μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése ólom esetén
μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése víz esetén
25
26
27
28
∑ (f Z ) i
3 i
Effektív rendszámok
80
anyag
Zeff
60
zsír
6-7
levegő
7.26
víz
7.5
40
fotoeffektus
12-14
jód
53
bárium
56
ólom
82
párképződés
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
Compton effektus
lágy szövet 7-8 csont
Neutronsugárzás
vezető kölcsönhatás
rendszám, Z
Zeff = 3
20
neutronbefogás (a termikus neutron beépül az atommagba): radioaktív izotóp keletkezik 1 keV
10 keV
100 keV
1 MeV
10 MeV
29
100 MeV
Protonsugárzás Bragg csúcsok
protonok közegbeli kölcsönhatása nagyon hasonló az alfa sugárzáséhoz a felülethez közeli rétegekben csak kicsi a lefékeződés
maghasítás (>100 MeV): magtöredékek, n-ok, γ-sugárzás 30
alfa áthatolóképesség nagyon kicsi veszélyesség belső védelem
különböző energiájú protonsugárzá s behatolása vízbe (DFS 2.67 ábra)
papír
béta kicsi
gamma nagyon nagy külső
belső/ külső műanyag ólom, beton
neutron nagyon nagy külső víz, beton
.
.
a Bragg csúcshoz tartozó behatolási mélység: hatótávolság terápiás felhasználás! 31
32
2. A sugárzások mérése
33
termolumineszcencs dózismérő
Ionizációs kamra
szcintillációs számláló
34
Filmdoziméter film fényzáró tokban megfeketedése arányos az ionizáló sugárzás dózisával két réteg: érzékenyebb (50 μSv-50 mSv) érzéketlenebb (50 mSv-10 Sv). szűrők: műanyag, Al, Pb, stb. lehetővé teszik a sugárzás fajtájának és energiájának megállapítását,
A: rekombináció B: ionizációs kamra C: proporcionális tartomány D: Geiger tartomány
hátrányok: csekély pontosság, utólagos kiértékelés (pl. 1 hónap). 35
Orvosi fizika gyakorlatok, 2005
36 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005
Zsebkamra doziméter
Termolumineszcens dózismérő
GM-csöves számlálók
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). 37 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005
38 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005
