Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra. Töltött részecskék elnyelődése. Sugárzások és anyag kölcsönhatása. A sugárzások elnyelődése

Átírás

1 Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra 2. Az ionizáló sugárzás és az anyag kölcsönhatása. Fizikai dózisfogalmak és az ionizáló sugárzás mérése Sugárzások és anyag kölcsönhatása. A sugárzások elnyelődése α β elektromos töltéssel rendelkező részecskék β γ elektromágneses sugárzás Rtg elektromos töltéssel neutron nem rendelkeznek r. Smeller László Töltött részecskék elnyelődése Útjuk során ionizálnak, energiájukból folyamatosan leadnak. Az energia egy véges úthosszon elfogy. Hatótávolság α β Lineáris energia átadás (LET, Linear Energy Transfer) (a részecske szempontjából) LET = (lineáris ionsűrűség). (1 ionpár keltésére jutó energia) lineáris ionsűrűség α részecske esetén levegőben, a megtett út függvényében Bragg csúcs 4

2 Hatótávolság β sugárzás αrészecske β részecske γ levegőben néhány cm levegőben m nagyságrendű szövetben 0,010,1 mm szövetben cm N N hatótáv hatótáv Ld: Pozitron Emissziós Tomográfia (PET) β ionizáció e e γ annihiláció távolság távolság hatótáv Α γ (és Rtg) sugárzás elnyelődése Fotoeffektus Véletlenszerűen fellépő effektusok által megy végbe: Fotoeffektus, Comptoneffektus, párképződés, (rugalmas szóródás)

3 Compton effektus Párképződés A sugárzás leírására használható fizikai mennyiségek E energia teljesítmény intenzitás [] J ΔE J P = = W Δt s energia áram (Power) J ΔP ΔA W m = 2 11 J 0 J 0 2 γ és röntgensugárzás gyengülése J J = J 0 e 2 x x J 0 J x nincs hatótávolság! Intenzitás: Egységnyi felületre eső sugárzási teljesitmény néhány ökölszabály : x 1/10 =3,33 x 1/1000 =10

4 J 0 J J = J 0 e x Gyengítési együttható J x : (lineáris) gyengítési együttható mértékegysége: 1/m, 1/cm 1 δ = behatolási mélység az intenzitás eed részére csökken (kb. 37%) (anyagi minőség, absz. centrumok száma, sugárzás energiája) =(anyag,ρ,e foton ) ρ m = ρ tömeggyengítési együttható 14 Tömeggyengítési együttható: = m m =τ m σ m κ m τ m =cλ 3 Z 3 ρ ólom víz ( szövetek) Neutronsugárzás elektromos töltéssel nem rendelkezik, ezért csak közvetve ionizál: 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: magtöredékek, nok, γsugárzás 16

5 alfa béta gamma neutron áthatolóképesség nagyon kicsi kicsi nagyon nagy nagyon nagy veszélyesség belső belső/ külső külső külső védelem papír műanyag ólom, beton víz, beton Ionizáló sugárzások mérése.. 17 A magsugárzások mérése szcintillációs számláló gázionizáción alapuló detektorok termolumineszcens doziméter fotográfiai (film) módszerek félvezető detektor Szcintillációs detektor

6 Szcintillációs számláló Ionizáción alapuló detektálás I Q I = t A 21 Ionizáción alapuló detektálás GeigerMüller cső I I t ionizációs kamra: összegyűjti az összes iont, a sugárzás ionizáló hatását méri ld. még dozimetria Geiger Müller tartomány: lavinaeffektus, részecske feszültség impulzus R U t

7 GM cső U t Számláló előnye: egyszerű felépítés hátránya: kis érzékenység γ sugárzásra energiaszelektivitás hiánya alkalmazása: főleg dozimetriában Termolumineszcencia Jim Voss amerikai űrhajós a Pille kiértékelő egységébe helyezi a dózismérőt. (Fotó: NASA ISS002E7814)

8 Személyi dozimetria Fotokémiai detektálás elavult Félvezető detektor Félvezető detektor a dozimetriában Elv: félvezető dióda záróirányban a sugárzás szabad töltéshordozókat kelt A I A n p n p elektron lyuk (elektronhiány) áram

9 ózisfogalmak 1. Elnyelt ózis ef: = de dm A dm tömegű anyaggal a sugárzás által közölt energia Mértékegysége J/kg = Gy Egységnyi tömegnek átadott energia Elnyelt dózis: Mérése: = de dm direkt módon nehéz (minimális hőmérsékletemelkedés ΔT = 0,0015 C / Gy) indirekt módon ionizációs kamra félvezető detektor termolumineszcens dózismérő... [Gy] Mekkora 1 Gy? 1 Gy a sugárbetegség egyes szimptómái már jelentkeznek 4 Gy félhalálos dózis* 6 Gy halálos dózis* (*egésztest besugárzás esetén) 2. Besugárzási dózis: X = dq dm dm tömegben keltett ill. töltés Csak γ és röntgensugárzásra, levegőben! Mértékegysége C/kg Összesen Q töltés Összesen Q töltés

10 Besugárzási dózis: Ionizációs kamrával ideálisan mérhető Q I = t I t X dq X = dm A Besugárzási dózis: Mire jellemző? Hogyan számolhatjuk át elnyelt dózisra? dq X = dm Lényeges, hogy hol történt az elnyelés (foton esetén), hol keletkeznek a töltések levegőben levegőben Levegőre jellemző Besugárzási dózis: dq X = dm Levegőben mért besugárzási dózis átszámolása: Levegőben 1 ionpár keltéséhez 34 ev energia szükséges* 34 ev= 34 1, J 1, C 34 J 1 C C J 1 34 = 34 Gy lev kg kg * Elektronok esetén. Protonok, α részecskék esetén 35 ev Levegőben mért dózis átszámolása a szövetekben elnyelt dózisra: szövet levegö = = m, szövet m, levegö m, szövet szövet 0 m, levegö E foton <0,6 MeV esetén lágyszövetre: f X J f = 0 34 C m, szövet m, levegö 1,1

11 Eddigi dózisfogalmak: A sugárhatás osztályozása Sztochasztikus eterminisztikus Fizikai dózis f 0 Méréstechnikai dózis Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység? A károsodás valószínűsége dózis A károsodás valószínűsége 100% dózis Sugárterápia (eterminisztikus hatás) Általában egyfajta sugárzással egyfajta szövetet sugározunk be Elnyelt dózis arányos Biológiai hatás Sugárvédelem (Sztochasztikus hatás) Általában többfajta sugárzással többfajta szövetet ér sugárzás Elnyelt dózis súlyozottan összegzendő Biológiai hatás Elnyelt dózis Súlyzófaktor: Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység Egyenérték dózis: Például: = H w w w bör alfa súlyozottan összegzendő bör,alfa H = w T R beta R bör,beta T, R Biológiai hatás Súlyozottan összeadja a különböző sugárzásokból (R) az adott szövetben (T) elnyelt dózisokat. gamma [Sv] bör,gamma

12 w R súlytényező Az adott sugárzás hatékonysága (sztochasztikus hatás kiváltásában) hányszor nagyobb, a röntgen ill. γsugárzáshoz képest. Részecske Energia w R Foton 1 Elektron 1 Neutron <10 kev 5 10 kev100 kev kev 2 MeV 20 2 MeV 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Protonok > 2 MeV 5 Alfa részecskék 20 Elnyelt dózis Effektív dózis: súlyozottan összegzendő Súlyzófaktor: Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység E = w H T Súlyozottan adja össze a különböző szöveteket (T) ért egyenérték dózisokat. w T H T jelenti a H T dózisnak az egész test sugárkárosodásához való hozzájárulását. T T Biológiai hatás [Sv] w T = 1 T w T súlytényező ózisfogalmak összefoglalása Megmutatja, hogy az illető szövetszerv milyen hányadban vesz részt a teljes károsodásban akkor, ha homogén sugárzás érte a az egész testet. Szövet/szerv w T Szövet/szerv w T gonádok 0,2 máj 0,05 vörös csontvelő 0,12 nyelőcső 0,05 vastagbél 0,12 pajzsmirigy 0,05 tüdő 0,12 bőr 0,01 gyomor 0,12 csontfelszín 0,01 húgyhólyag 0,05 egyéb 0,05 Fizikai dózis f 0 Méréstechnikai dózis Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység H T E Csak a sugárvédelemben használatos mennyiségek