Identifikace typu záření U radioaktivního záření rozeznáváme několik druhů, jejichž vlastnosti se diametrálně liší. Jednotlivé druhy rozeznáváme podle druhu emitovaného záření. Tyto druhy radioaktivity se označují prvními třemi písmeny řecké abecedy – α, β, γ. Paprsky jsou označeny podle pořadí, v němž byly objeveny. Záření alfa (α) Tento typ záření vydává většina přírodně radioaktivních izotopů. Částicí α se označuje jádro hélia (2He4). Alfa částice je tedy tvořena ze dvou protonů a dvou neutronů, což znamená, že alfa částice je kladně nabitá, a to s nábojem e+2. Proud těchto částic se nazývá alfa zářením. Alfa záření vzniká tak, že původní jádro ztrácí dva protony a dva neutrony. Příkladem izotopu, který generuje α záření je izotop uranu
238
U. Nově vzniklý prvek je
posunutý v periodické tabulce prvků o dvě místa doleva. Záření α silně ionizuje prostředí, kterým prochází a dá se velmi snadno odstínit, a to i např. listem papíru. Z hlediska využití je α záření nejméně důležité. α záření vzniká jen z „těžkých“ jader, navíc má malou pronikavost. Příkladem použití jsou hlásiče požárů, v medicíně použití nemá. Záření beta (β) U záření beta rozlišujeme dva druhy. Záření β- je tvořeno proudem záporných elektronů e-1, vznikajících v jádře radioaktivního prvku. Během beta rozpadu dochází k přeměně neutronu na proton. Nové jádro má o jednotku zvýšený kladný náboj, přičemž hmotnost jádra zůstává přibližně zachována. Nově vzniklý prvek je posunut v periodické tabulce prvků o jedno místo doprava. Druhý typ záření je označován jako β+ a je tvořen proudem kladných pozitronů, což je antičástice k elektronu. Při záření β+ dochází k posunutí nově vzniklého prvku v periodické tabulce o jedno místo doleva. Oproti záření α má záření β větší pronikavost. Záření β+ se využívá v medicíně v systému PET – pozitronová emisní tomografie. V systému PET se využívá efekt anihilace elektronů za vzniku γ záření. e+ + e- → 2γ. Vzniklé dvě kvanta γ záření o energii 511 keV opouští místo anihilace v protilehlých směrech (pod úhlem 180 º). Záření gama (γ) Záření γ je vysoko-energetické elektromagnetické záření. Na rozdíl od předchozích typů α a β záření nenese γ záření žádný náboj. Neexistuje čistý přírodní γ zářič. Záření γ vzniká často spolu s α nebo β zářením při radioaktivním rozpadu jader. Dceřinné jádro, které vzniká po vyzáření α nebo β záření, se v mnoha případech nachází v excitovaném stavu. Jádro pak může přejít do stavu s nižší energií, což je doprovázeno vyzářením fotonu γ. Při vyzáření γ fotonu nevzniká jiný izotop, jádro pouze ztratí část své energie. Záření γ je velmi pronikavé,
ale méně ionizující. Odstínit se dá jen velmi silnými vrstvami kovu nebo betonu. Často se používá k podobným účelům jako rentgenové záření, protože má podobné vlastnosti. Pokud chceme získat čistý γ zářič, musí být vyroben. Pro získání čistého γ zářiče je často používán radionuklid molybdenu
99
Mo, který se mění β- rozpadem s poločasem rozpadu
T1/2 = 2,66 dne na izotop technecia
99m
Tc do jeho vybuzeného stavu (hladina o energii
140keV), který je metastabilní s poločasem rozpadu T1/2 = 6,02 hodin. Pokud se oddělí produkt 99mTc od mateřského molybdenu 99Mo, získáme čistý γ zářič, který postupně vyzařuje záření γ o energii 140 keV.
99m
Tc je nejdůležitějším radionuklidem v nukleární medicíně.
Představuje čistý zářič γ fotonů s krátkým poločasem rozpadu 6 hodin, což umožňuje, bez rizika významně zvýšené radiační zátěže, aplikovat pacientům značně vysokou aktivitu 99mTc (řádu stovek MBq až jednotek GBq) a poté využít u SPECT či dynamické scintigrafie. Při těchto vyšetřeních je radiační zátěž relativně nízká, protože není přítomno korpuskulární záření, které by se pohltilo v tkáni a odevzdalo svou energii. Naopak záření γ díky své pronikavosti většinou vylétá z organismu ven, jen část je pohlcena. Z generátoru 81Rb (T1/2 = 4,85 h) se získává plynný radioaktivní krypton 81mKr (T1/2 = 13 s). Při vyšetření odnáší proud vzduchu vedený trubičkou přes nádobku obsahující vrstvičku mateřského radionuklidu uvolňovaný dceřinný
81
Rb
81m
Kr, který pacient vdechuje a scintilační kamera pomocí zevní detekce
záření γ zobrazuje distribuci tohoto
81m
Kr v plicních alveolech. Jedná se o ventilační
scintigrafii plic. γ záření může být také použito jako účinný prostředek hubení bakterií. Této vlastnosti se využívá např. při sterilizaci lékařských nástrojů. Přestože γ záření může způsobit rakovinu, používá se při jejím léčení. Známým použitím v této oblasti je gama nůž, který využívá několika paprsků záření zaměřených na místo nádoru. V místě nádorů se paprsky protínají a jejich účinek je tak v oblasti nádoru největší a dochází k ničení zasažených buněk. V ostatních místech, kudy prochází jen jeden paprsek, je účinek menší a zdravé buňky přežijí. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač – magnetický úchyt
1 ks
Geiger-Mullerův čítač „INNO“
1 ks
Magnetická podložka s měřítkem, magnetická
1 ks
Montážní absorpční deska
1 ks
Set absorpčních desek
1 ks
Plynové punčošky
3 ks
Na Obr. 1 je uvedeno experimentální uspořádání při měření různých druhů zářičů.
Obr. 1: Experimentální uspořádání při rozeznávání typů záření. Jednotlivé typy záření mohou být zhruba rozpoznány podle jejich absorpce. Praktické testy schopnosti různých materiálů odstínit měřené typy záření vedou k následujícímu poněkud nepřesnému schématu odlišení jednotlivých typů záření. Záření α je odstíněno i pouhým kusem papíru. Záření β je odstíněno 1 cm tlustým plexisklem. Paprsky γ prochází 1 cm tlustým plexisklem. Popsané výsledky byly obdrženy měřením
210
Po,
90
Sr a
60
Co jako
zdrojů jednotlivých typů záření. Tento postup je možné vyzkoušet na rozlišení záření jeho dceřinných produktů.
232
Th a
Th produkuje α a γ záření, zatímco dceřinný produkt emituje
v této rozpadové řadě často β záření. a)
232
Identifikace α záření – stínění papírem
Obr. 2: Uspořádání měření při detekci α záření.
Uspořádání měření je zachyceno na Obr. 2. Mezi emisní okénko na Geiger-Mullerově trubici a plynovou punčošku je vložen papír. Podle naměřených výsledků je možné odhadnout množství α záření v měřeném zdroji radioaktivního záření. Je potřeba uvažovat, že α záření neprojde papírem vloženým mezi měřící sondu a zdroj záření. Naměřené pulsy vztažené k měření radioaktivity okolního prostředí tedy odpovídají β nebo γ záření. b) Identifikace β záření – stínění 1 cm plexiskla Oproti měření provedenému v bodě a) je vložena mezi zdroj radioaktivního záření a emisní okénko snímací sondy 1 cm tlustá vrstva plexiskla. Provedení experimentu je zachyceno na Obr. 3.
Obr.3: Uspořádání měření při detekci β záření. Podle množství naměřených pulsů se dá určit převládající typ záření. Pokud se naměřené hodnoty blíží hodnotám odpovídajícím radioaktivitě okolního prostředí, převážná část záření byla pohlcena a tudíž se jedná o β záření. Pokud je množství pulsů větší než odpovídá okolní radioaktivitě, jedná se o γ záření, které prošlo vrstvou plexiskla.
Vybrané otázky k dané problematice 1) Jaké typy radioaktivního záření znáte? 2) Jakým materiálem odstíníte jednotlivé typy záření? 3) Jmenujte některé aplikace pro jednotlivé druhy záření, zejména pak v medicíně?
Identifikace α záření V úloze bude použit zářič α záření 210Po. Geiger-Mullerův čítač má účinnost 80 % pro α záření, což vede k velkému počtu pulsů dokonce i v přítomnosti zdroje s malou aktivitou α záření. To umožňuje identifikaci
210
Po
jako α zářiče. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač – magnetický úchyt
1 ks
Geiger-Mullerův čítač „INNO“
1 ks
Magnetická podložka s měřítkem, magnetická
1 ks
Montážní absorpční deska
1 ks
Set radioaktivních preparátů
1 ks
Na Obr. 4 je zachyceno uspořádání při měření na zdroji α záření 210Po.
Obr. 4: Měření α záření na preparátu 210Po. Pří měření α záření umístěte měřící sondu co nejblíže ke zdroji záření měření je zachyceno na Obr. 4. a) Měření je provedeno na α zářiči 210Po
210
Po. Schéma
Vybrané otázky k dané problematice 1) Jaká je účinnost Geiger-Mullerova čítače pro α záření? 2) Jaký materiál je použit jako zdroj α záření?
Dosah α záření ve vzduchu α záření má ze všech druhů radioaktivního záření nejmenší pronikavost a tím i nejmenší dosah. Obecně se dá odhadnout, že dosah α záření ve vzduchu je přibližně 5 cm. Dobrým odhadem je dosah vzdálenosti 1 cm ve vzduchu na každý 1 MeV vyzářené α energie. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač – magnetický úchyt
1 ks
Geiger-Mullerův čítač „INNO“
1 ks
Magnetická podložka s měřítkem, magnetická
1 ks
Montážní absorpční deska
1 ks
Set radioaktivních preparátů
1 ks
Na Obr. 5 je zachycen měření dosahu α záření ve vzduchu.
Obr. 5: Měření dosahu α záření ve vzduchu.
Pří měření dosahu α záření je třeba uvažovat zapuštění zdroje radiace pod povrch radiačního preparátu. V našem případě je potřeba k údajům ze stupnice přičíst navíc 5 mm. a) Změřte dosah α záření ve vzduchu
Vybrané otázky k dané problematice 1) Jaký je teoretický dosah α záření ve vzduchu?
Absorpce α záření Dosah α záření ve vzduchu je relativně malý. Jedná se o vzdálenost několika cm. Utlumit se dá např. i kusem papíru. Teoreticky je každý materiál s plošnou hustotou aspoň 1 mg/cm2 schopen spolehlivě odstínit α záření o energii 5 MeV. α záření si můžeme představit jako rychle se pohybující jádra helia. Pokud jsou zachyceny v absorpčním materiálu, jejich energie je rozptýlena. Tyto zachycené částice přijmou dva elektrony ze svého okolí a vytvoří molekulu helia a rozptýlí se jako plyn. Materiál, který pohlcuje α záření se tak nestává radioaktivním po bombardování α částicemi. V úloze je jako absorpční materiál využit papír, který má běžnou hmotnost 80 g/m2, což je po převodu na hustotu plochy asi 0,8 mg/cm2. To je přibližně stejná hodnota jako u lidské kůže. Pod pojmem hustota vyjádřené v kg/m3 či g/cm3 popisuje hmotnost materiálu vztaženou na jeho objem. Specifická povrchová hustota je udávána v kg/m2 či g/cm2 a je vztažena na hmotnost plochy pokrývající povrch 1m2 respektive 1 cm2. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač – magnetický úchyt
1 ks
Geiger-Mullerův čítač „INNO“
1 ks
Magnetická podložka s měřítkem, magnetická
1 ks
Montážní absorpční deska
1 ks
Set radioaktivních preparátů
1 ks
a) Měření 210Po bez absorpčního materiálu b) Měření 210Po s absorpčním materiálem
Pokud bychom chtěli demonstrovat útlum α záření lidskou kůží, je možné použít např. střívko z jitrnice, které se umístí do experimentu místo papíru. Mohou být použity i další látky, pokud chceme ověřit jejich schopnost absorpce α záření. Ve všech těchto případech budou naměřeny hodnoty, které odpovídají radiaci okolního prostředí.
Provedenými experimenty bylo ukázáno, že papír kompletně odstíní α záření. Při užití dalších podobných materiálů se prokáže, že materiály s povrchovou hustotou minimálně 1 mg/cm2 kompletně odstíní α radiaci.
Obr. 6: Měření absorpce α záření. Díky nízkému dosahu α záření ve vzduchu a jeho nízké pronikavosti (odstíní ho i kůže) nepředstavuje externí ozáření částicemi α žádné riziko pro člověka. Nicméně radioaktivní zdroje, které emitují α záření, mohou způsobit značné ozáření, pokud by se dostaly do lidského těla. V lidské tkání má α záření dosah přibližně 80 µm a může způsobit silné lokální radiační ozáření. Jakákoliv kontaminace kůže by mohla způsobit průnik skrz kůži a vstup radioaktivních látek do těla a proto musí být odstraněna příslušným způsobem.
Vybrané otázky k dané problematice 1) Čím můžeme odstínit α záření? 2) Co se stane s α částicemi při jejich zachycení v absorpčním materiálu? 3) Jaká je nebezpečnost α záření pro lidské tělo?
Vznik tohoto studijního materiálu byl podpořen Evropským sociálním grantem Zvýšení kvality praktického vzdělání studentů studijního programu Biomedicínská a klinická technika (CZ.04.1.03/3.2.15.3/0444).
