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 E spektrum a-sugárzás 2 pozitív töltés a részecske vonalas (He atommag) g- sugárzás töltés nélküli nagy energiájú vonalas foton b - sugárzás egységnyi negatív nagy energiájú folytonos töltés elektron b + - sugárzás egységnyi pozitív nagy energiájú folytonos töltés pozitron
a-sugárzás: az a részecskék energiája jellemző az adott bomlásra 226 Ra E a részecskék 4.784 MeV kinetikus energiával (1 ev = 1.6 10 19 J) 222 Rn
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>>m 0 ): M, +ze, E=1/2 M v 2 v F b E 2 zm 2 be F=kze 2 r 2 m 0, -e
ionpár / cm 2 z M b E E 2 d sugár (ionizációra képes elektron) másodlagos ionizáció 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 Bragg csúcs becsapódó α/β részecske pályája ionizáció gerjesztés 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 E 1 E = E b +E m E 2 N (E b ) b max E b [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 e 0 m x becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés fékezési rtg. sugárzás
A b és a sugárzás ionizáló képességének összehasonlítása 1, azonos kinetikai energiák mellett (1/2mv 2 ) a b részecskék sebessége sokkal nagyobb mint az a részecskéké (8000 m b ~ m a ) 2, az a részecske töltése a b kétszerese 3, E 2 zm 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 foton emissziója a bomlást követő igen rövid időn belül megtörténik (10 13 s-on belül, kivéve a metastabil magokat lásd későbbi előadások, pl 99 Tc) 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 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=I 0 e mx
Átmenő intenzitás Az g sugárzás exponenciális gyengülése anyagi rétegen való áthaladás során rétegvastagság I=I 0 e mx
A fotoeffektus mechanizmusa kötési energia (kev) 66 kev fotoelektron 100 kev foton hf=a+1/2mv 2
Compton szórás Vegyérték elektronok hf=a + 1/2mv 2 + hf Compton el. E = 1/2m e v 2 p = m e v beérkező foton E = hf p = hf/c szórt foton E = hf p = hf /c
Párképződés, annihiláció Beérkező foton elektron pozitron hf = m e c 2 = 0.511 MeV annihilációs sugárzás hf = m e c 2 = 0.511 MeV
Direkten és indirekten ionizáló sugárzások: a károsítás (ionizáció) összehasonlítása b sugárzás BŐR A becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés 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 0.3-10 1.0 röntgensugárzás béta sugárzás 0.5-15 1-2 neutron sugárzás 20-50 2-5 alfa sugárzás 80-250 3-20
Energia leadás egységnyi hosszon dózis Áthatolási képesség sugárterápiás vonatkozásai Alfa sugázás 0.01-0.1 mm szövetekben Antitesthez konjugálva adják be Béta sugárzás cm hatótávolság (3 MeV 1 cm) Távolság lineáris az energiával. Izotópok: energia eloszlás egyenetlen behatolás Gyorsítók (20 MeV) 7 cm felszíni tumorok Távolság a bőr felszíntől Távolság levegőben Proton sugárzás 100+ MeV 10-20 cm Ideális mély tumornál drága Gamma sugárzás Mélyen behatol A kiszórás csökkenti a felszíni dózist Nagy energiájú Rtg sugárzás jobb water
Gamma kés Forgatható besugárzás és a gamma kés
Ionizációs áram A sugárzás detektálása: gáz töltésű detektorok részecske anód + A B C D E GM a b Feszültség (V) A: rekombináció B: telítés (minden primer ionpár eléri az elektródákat) C: Proporcionális tartomány (másodlagos ionizációk száma arányos a belépő részecske ionizáló képességével) D: Geiger-Müller tartomány (a teljes cső ionizálódik, áram független a belépő részecskétől) E: Önfenntartó kisülés
A sugárzás detektálása: szcintillációs detektor becsapódó részecske kristály foton fotokatód becsapódó részecske fotoelektron dinódák NaI(Tl) NaI(Tl) hf fotoelektron számláló kimenet vákuum
Wilson féle ködkamra
Buborékkamra Elavult technológia látványos Hűtött folyékony H 2 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