Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
1. Fény kölcsönhatása az anyaggal
1976
2. Ionizáló sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
2
KAD 2012.10.03
1.
3
4
n1>n2
5
6
7
8
9
10
11
12
13
2. Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása Osztályozási lehetőségek magsugárzások az energia az atommagból származik. α, β, γ, p, n, …
röntgensugárzás az energia az elektronfelhőből származik Rtg
részecskesugárzás pozitív nyugalmi tömeg α, β, p, n, …
EM sugárzás nincs nyugalmi tömeg Rtg, γ
direkt ionizáló sugárzás töltött részecskék α, β, p, …
indirekt ionizáló sugárzás töltés nélküli részecskék Rtg, γ, n
14
Ionizációnak nevezzük azt a folyamatot, amikor egy atomból vagy molekulából elektromos töltéssel rendelkező ion keletkezik elektromosan töltött részecskék (elektronok vagy ionok) elvételével vagy hozzáadásával.
levegőben (átlagosan) 1 ionpár keltéséhez 34 eV = 5.4 aJ energia szükséges
Gamma/röntgen-sugárzás anyaggal való kölcsönhatása
18 17
(találkozik egy elektronnal) annihiláció
PET/MRI
19
20
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 21
22
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
A sugárintenzitás gyengülése
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=
23
0,693 D
μm =
részleges gyengítési eh.-k
μm =
μ ρ
0,693 Dm
μm = τ m + σ m + κ m
24
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 25
Tömeggyengítési együttható
26
Gyengítési/tömeggyengítési együttható
27
28
μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése víz esetén
μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése ólom esetén
29
30
Zeff = 3
∑w 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
31
csont
12-14
jód
53
bárium
56
ólom
82
párképződés
rendszám, Z
μm fotonenergiától és az abszorbens minőségétől való függése
20
1 keV
10 keV
100 keV
1 MeV
10 MeV
32
100 MeV
Sugárgyengítési mechanizmusok
mechanizmus rugalmas szórás fotoeffektus Compton effektus párkeltés
Alfa-sugárzás és az anyag kölcsönhatása
lágyszövet esetén melyik μm függése a μm függése a fotonenergiafotonrendszámtól tartományban energiától (ε) (Z) domináns ~1/ε2 ~1/ε3 enyhén csökkenő enyhén növekvő
elektromos töltése: 2e+
~Z2 ~Z3 10-30 keV ~Z/A (A: 30 keV - 20 MeV tömegszám) ~Z2
alfa-részecske: He atommag
> 20 MeV
kezdő sebesség több mint 1000 km/s kinetikus energia néhány MeV ionizálóképesség jellemzése lineáris ionsűrűség (fajlagos v. specifikus ionizáció) l hosszúságú úton n db ionpárt hoz létre 34
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)
pályája egyenes (v. atommagon szóródás)
lineáris energia átadás (LET, Linear Energy Transfer) (a részecske szempontjából) LET = (lineáris ionsűrűség) . (1 ionpár keltésére jutó energia)
αforrás árnyékolás
α-részecskéjének fajlagos ionizációja (levegő esetén) a megtett út függvényében 214Po
35
egyéb hatások: (ionizáció/gerjesztések) karakterisztikus röntgen-sugárzás szcintilláció biológiai: funkcionális és morfológiai elváltozások végül: hő atommaggal való ütközés: magreakció (kis valószínűséggel) 36
Neutronsugárzás egyes magreakciók terméke, bombázott atommagok gerjesztett állapotba kerülnek, felesleges energiájuktól neutronkibocsátással szabadulnak meg
Béta-sugárzás és az anyag kölcsönhatása béta-részecske: elektron (vagy pozitron)
elektromos töltéssel nem rendelkezik, közvetve ionizál kölcsönhatások fajtái:
elektromos töltése: 1e– (vagy 1e+) lineáris ionsűrűség: az alfáénál 1000-szer kisebb
rugalmas szóródás (rugalmas ütközés, proton és neutron tömege egyenlő), a proton ionizál
pályája zegzugos (az elektron szóródik az elektronokon), visszaszórás is lehet!
rugalmatlan szóródás (jellemzően 5 MeV felett): a neutronnal kölcsönható atommag gerjesztett állapotba kerül, majd γ vagy alfa kibocsátás
spektruma folytonos (antineutrinó!), így nincs egységes hatótávolság
neutronbefogás (a termikus neutron beépül az atommagba): radioaktív izotóp keletkezik
levegőben: 10 cm- 1 m, víz (szövet): 1 mm-1cm 37
Protonsugárzás Bragg csúcsok
protonok közegbeli kölcsönhatása nagyon hasonló az alfa sugárzáséhoz a felülethez közeli rétegekben csak kicsi a lefékeződés
38 maghasítás (>100 MeV): magtöredékek, n-ok, γ-sugárzás
alfa áthatolóképesség nagyon kicsi veszélyesség belső védelem
különböző energiájú protonsugárzás 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! 39
40
