Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása. •Magsugárzások (α, β, γ) kölcsönhatása atomi rendszerekkel (170-174, 540-545 o.) •Direkt és indirekt ionizáció, LET/QF • áthatólóképesség, terápiás vonatkozások •Ismétlés: - Fotoeffektus (161-162 o.) - Compton-effektus (163. o.) - Párképződés (172. o.)

Ionizáló sugárzások detektálása (178. o.) -Ionizációs kamra / gáztöltésű detektorok (189-190 o.) -Szcintillációs detektor (486. o.) -Ködkamra, buborékkamra -Filmdoziméterek, termoluminszcens doziméterek (190. o.) Vereb György DE OEC BSI, 2010

Különböző sugárzások tulajdonságai Típus

töltés

Energia hordozó

a-sugárzás

2 pozitív töltés (He atommag)

a részecske

vonalas

g- sugárzás

töltés nélküli

nagy energiájú foton

vonalas

b– - sugárzás egységnyi negatív töltés

nagy energiájú elektron

folytonos

b+ - sugárzás egységnyi pozitív töltés

nagy energiájú pozitron

folytonos

E spektrum

a-sugárzás: az a részecskék energiája jellemző az adott bomlásra

226Ra

E a részecskék 4.784 MeV kinetikus energiával (1 eV = 1.610–19 J)

222Rn

Töltött részecskék és anyag kölcsönhatása: A nagy energiájú töltött részecskék kinetikai energiájuk jelentős részét az elnyelő közeg elektronjaival történő elektrosztatikus kölcsönhatás révén veszítik el. Átadott energia gerjesztés

ionizáció

Nehéz töltött részecskék (p.l. a részecske, M>>m0): M, +ze, E=1/2 M v2 v

z2M E  2 bE

b F

F=kze2r–2

m0, -e

z 2M E  2 b E

A kölcsönhatás során átadott energia fordítottan arányos a részecske kinetikai energiájával (E). Nagy E → nagy v → rövidebb idő a kölcsönhatásra → kisebb energia átadás. A részecske töltésének négyzete szerepel az összefüggésben

d sugár (ionizációra képes elektron) → másodlagos ionizáció

ionpár / cm

becsapódó α/β részecske pályája ionizáció gerjesztés

Bragg csúcs

behatolási mélység

b– sugárzás: nagy kinetikus energiával bíró e–, folytonos energia spektrum magyarázat: e– és egy másik elemi részecske, m (anti-neutrino) osztozik a b– bomlás során felszabaduló fölös energián E1 E = Eb+Em E2 N (Eb)

b max Eb [keV]

A b– sugárzás kölcsönhatása az elnyelő közeggel: az a sugárzás elnyeléséhez hasonló alapelvek DE 1, a nagy energiájú elektron a vele megegyező tömegű atomi elektronnal lép kölcsönhatásba → a kölcsönhatás nagy mértékű energia vesztéshez és a mozgás irány jelentős változásához vezethet. 2, az atommagok elektromos erőterével a kölcsönhatás nagymértékű lassulást okozhat  Bremsstrahlung (fékezési rtg. sugárzás)

1, és 2, következménye a b– részecskék pályája zegzugos d sugár

I  I 0e becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés

m x

fékezési rtg. sugárzás

A b– és a sugárzás ionizáló képességének összehasonlítása 1, azonos kinetikai energiák mellett (1/2mv2) a b– részecskék sebessége sokkal nagyobb mint az a részecskéké (8000 mb~ ma)

2, az a részecske töltése a b– kétszerese 3,

z2M E  2 bE

1, 2 és 3 eredményeképp azonos kinetikai energiák mellett a b– részecskék áthatoló képessége sokkal nagyobb mint az a részecskéké. (pl. 2 MeV a részecske vízben ~8 mm, ugyanilyen energiájú b– részecske vízben 2 cm behatolási mélységgel jellemezhető).

A g sugárzás jellemzői • a és b bomlás kísérő jelensége • a g energia jellemző az adott bomlásra (vonalas spektrum) • amikor a leánymag a bomlást követően gerjesztett állapotba kerül, akkor a fölös energia g sugárzás formájában emittálódik.

• a g foton emissziója a bomlást követő igen rövid időn belül megtörténik (10–13 s-on belül, kivéve a metastabil magokat → lásd későbbi előadások, pl 99Tc)

A g sugárzás kölcsönhatása az anyaggal: az energia átadás mechanizmusa a rtg. sugárzás abszorpciójához vezető folyamatokkal egyezik meg: Fotoeffektus Compton effektus Pár képződés A károsítás mechanizmusa:az ionizációk szinte teljes egészéért az elsődleges interakciók során keletkezett nagy energiájú elektronok a felelősek. EMIATT a g és rtg. sugárzásokat INDIREKTEN IONIZÁLÓ sugárzásoknak hívjuk, töltött részecskéket kell mozgásba hozniuk. Elnyelési törvény: az rtg. elnyeléséhez hasonló: I=I0e–mx

Átmenő intenzitás

Az g sugárzás exponenciális gyengülése anyagi rétegen való áthaladás során

rétegvastagság

I=I0e–mx

A fotoeffektus mechanizmusa

kötési energia (keV)

100 keV foton

hf=A+1/2mv2

66 keV fotoelektron

Compton szórás Vegyérték elektronok

hf=A + 1/2mv2 + hf’

Compton el. E = 1/2mev2 p = mev beérkező foton E = hf

szórt foton

p = hf/c

E = hf’ p = hf’/c

Párképződés, annihiláció Beérkező foton

elektron

pozitron

hf = mec2 = 0.511 MeV

hf = mec2 = 0.511 MeV annihilációs sugárzás

Direkten és indirekten ionizáló sugárzások: a károsítás (ionizáció) összehasonlítása

b– sugárzás A becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés BŐR ionizáció

g foton (E=hf) mozgásba hozott elektronok ionizáció gerjesztés

Sugárzások ionizáló (energiaátadó) képessége LET = Linear Energy Transfer QF = Quality Factor – LET-tel arányos, a biológiai hatás erősségét adja meg

típus

LET

QF

gamma és röntgensugárzás

0.3-10

1.0

béta sugárzás

0.5-15

1-2

neutron sugárzás

20-50

2-5

alfa sugárzás

80-250

3-20

Alfa sugázás •0.01-0.1 mm szövetekben •Antitesthez konjugálva adják be

dózis

Áthatolási képesség sugárterápiás vonatkozásai Béta sugárzás •cm hatótávolság (3 MeV – 1 cm) •Távolság lineáris az energiával. •Izotópok: energia eloszlás  egyenetlen behatolás •Gyorsítók (20 MeV)  7 cm – felszíni tumorok

Energia leadás egységnyi hosszon

Távolság a bőr felszíntől

Távolság levegőben Proton sugárzás •100+ MeV •10-20 cm •Ideális mély tumornál •drága

water

Gamma sugárzás •Mélyen behatol •A kiszórás csökkenti a felszíni dózist • Nagy energiájú Rtg sugárzás jobb

Forgatható besugárzás és a gamma kés

Gamma kés

A sugárzás detektálása: gáz töltésű detektorok részecske anód +

Ionizációs áram

A B

C

–

D GM

E

A: rekombináció B: telítés (minden primer ionpár eléri az elektródákat)

C: Proporcionális tartomány (másodlagos ionizációk száma arányos a belépő részecske ionizáló képességével)

a

D: Geiger-Müller tartomány

b Feszültség (V)

(a teljes cső ionizálódik, áram független a belépő részecskétől)

E: Önfenntartó kisülés

A sugárzás detektálása: szcintillációs detektor kristály

becsapódó részecske

foton

becsapódó részecske fotoelektron

fotokatód dinódák

NaI(Tl) NaI(Tl)

hf

fotoelektron számláló kimenet

vákuum

Wilson féle ködkamra

Buborékkamra • Elavult technológia • látványos • Hűtött folyékony H2 maga a céltárgy és a detektor is. • A folyadék túlhevített, és az ionizációk a forráshoz nukleációs pontokat képeznek

Buborékkamra

Folyékony hidrogén

Dózismérők: filmdoziméter, termolumineszcens doziméter

Filmdoziméter: • Az ionizáció a fényérzékeny film megfeketedését okozza • Kis dinamikus tartomány • Sugárzás fajtája nem azonosítható Termolumineszcens doziméter: • Az ionizáció metastabil, tiltott állapotú gerjesztett elektronokat halmoz fel bizonyos kristályokban (pl. Mg+Ti szennyezett LiF) • Kiolvasáskor melegítésre ezek visszakerülnek magasabb, de megengedett gerjesztett állapotba, ahonnan fénykibocsátással relaxálnak