Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása. A sugárzások érése KAD 2009.04.06 1. Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása levegőben (átlagosan) 1 ionpár keltéséhez 34 ev = 5.4 aj energia szükséges 1 2 Prefixuok yotta zetta exa peta tera giga ega kilo hekto deka deci centi illi ikro nano piko feto atto zepto yocto Y Z E P T G M k h da d c μ n p f a z y 10 24 10 21 10 18 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 10 2 10 1 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 3 nagyságrendenként külön prefixu inden nagyságrendre külön prefixu 3 nagyságrendenként külön prefixu 3 Alfa-sugárzás és az anyag kölcsönhatása alfa-részecske: He atoag elektroos töltése: 2e + kezdő sebesség több int 1000 k/s kinetikus energia néhány MeV ionizálóképesség jellezése lineáris ionsűrűség (fajlagos v. specifikus ionizáció) l hosszúságú úton n db ionpárt hoz létre 4
214 Po α-részecskéjének fajlagos ionizációja (levegő esetén) a egtett út függvényében (Rontó - Tarján 3.1 ábra) α- forrás pályája egyenes (v. atoagon szóródás) árnyékolás 5 hatótávolság (R, Reichweite): az a távolság, ait egy részecske a közegben befut, íg energiája a terikus értékre ne csökken pl. Ra: R (levegőben) = 3.4 c, R (folyadékban) = 10-100 µ fékezőképesség: egységnyi úthosszra vonatkoztatott energia veszteség (a közeg szepontjából) lineáris energia átadás (LET, Linear Energy Transfer) (a részecske szepontjából) LET = (lineáris ionsűrűség) x (1 ionpár keltésére jutó energia) egyéb hatások: (ionizáció/gerjesztések) karakterisztikus röntgen-sugárzás szcintilláció biológiai: funkcionális és orfológiai elváltozások végül: hő atoaggal való ütközés: agreakció (kis valószínűséggel) 6 Béta-sugárzás és az anyag kölcsönhatása béta-részecske: elektron (vagy pozitron) ionpár/1 levegő 1000 Töltéssel rendelkező részecskék Sugárzás fajlagos ionizációja és anyag kölcsönhatása levegőben α-részecske elektroos töltése: 1e (vagy 1e + ) lineáris ionsűrűség: az alfáénál 1000-szer kisebb pályája zegzugos (az elektron szóródik az elektronokon), visszaszórás is lehet spektrua folytonos (antineutrinó!), így nincs egységes hatótávolság levegőben: 10 c- 1 Az α-, a β- és a proton sugárzás átlagos fajlagos ionizációja a részecske energia 16 függvényében, a levegőben víz (szövet): 1 7 8 100 10 elektron proton 0,01 0,1 1 as
kitérő Eloszlás sűrűségfüggvény ΔN Δh 10c 1 h: testagasság H: kollektív agasság 32 P β-spektrua (Rontó - Tarján 3.2 ábra) ΔH Δh H β sugárzás axiális hatótávolsága a axiális energia függvényében (Rontó - Tarján 3.3 ábra) 9 Spektru int speciális eloszlás sűrűségfüggvény 10 h kitérő Eloszlás sűrűségfüggvény Spektru Gaa/röntgen-sugárzás anyaggal való kölcsönhatása ΔN Δh 1 10c 0 1 2 3 4 5 görbe alatti terület: n ΔH Δh 160 170 180 190 200 210 160 170 180 190 200 210 0 20 40 60 80 100 görbe alatti terület: H h (c) h (c) 11 12
13 14 (találkozik egy elektronnal) annihiláció 15 16
A sugárzás leírására használható fizikai ennyiségek energia teljesítény intenzitás E [] J ΔE J P = = W Δt s J ΔP ΔA W = 2 energia ára (Power) spektru is!? 21 2.6 10 1eV = 2.6 10 17 18 17 10 4 ev A sugárintenzitás gyengülése A sugárintenzitás gyengülése elegendően vékony (Δx) abszorbensre: x (akroszkopikus) vastagságú abszorbensre: μ : ΔJ = μjδx ΔJ = μj Δx J = J 0 e μ x gyengítési együttható J = J 0 e μ x ( Z, ρ ε ) μ = μ ; gyengítési együttható J = J 0 e μx töeggyengítési együttható ( Z ε ) μ μ ; = μ μ = ρ 0,693 μ = D 0,693 μ = D μ = 0,693 D pl. D = 2 c D felezési rétegvastagság 19 részleges gyengítési eh.-k μ = τ + σ + κ 20
J = J 0 e μ x Gyengítési együttható a kitevő: * μx = μρx = ε cx = σnx ( Z, ρ ε ) μ μ ; sűrűség oláris konc. = gyengítési együttható, 1/c részecske konc. ( Z ε ) μ = μ ; töeggyengítési együttható, c2 /g * ε σ oláris extinkciós együttható, L/(ol*c) hatáskeresztetszet, c 2 21 22 Töeggyengítési együttható Gyengítési/töeggyengítési együttható 23 24
μ fotonenergiától és az abszorbens inőségétől való függése μ részfolyaatainak fotonenergiától való függése ólo esetén μ részfolyaatainak fotonenergiától való függése víz esetén 25 26 27 28
Z Effektív rendszáok anyag ( fiz ) 3 3 eff = i Z eff zsír 6-7 levegő 7.26 víz 7.5 lágy szövet 7-8 csont 12-14 jód 53 báriu 56 ólo 82 80 60 40 20 rendszá, Z vezető kölcsönhatás Copton effektus fotoeffektus párképződés 29 1 kev 10 kev 100 kev 1 MeV 10 MeV 100 MeV Neutronsugárzás egyes agreakciók teréke, bobázott atoagok gerjesztett állapotba kerülnek, felesleges energiájuktól neutronkibocsátással szabadulnak eg elektroos töltéssel ne rendelkezik, ezért csak közvetve ionizál; a kölcsönhatások fajtái: rugalas szóródás (rugalas ütközés, proton és neutron töege egyenlő), a proton ionizál rugalatlan szóródás (jellezően 5 MeV felett): a neutronnal kölcsönható atoag gerjesztett állapotba kerül, ajd γ vagy alfa kibocsátás neutronbefogás (a terikus neutron beépül az atoagba): radioaktív izotóp keletkezik aghasítás (>100 MeV): agtöredékek, n-ok, γ-sugárzás 30 protonok közegbeli kölcsönhatása nagyon hasonló az alfa sugárzáséhoz a felülethez közeli rétegekben csak kicsi a lefékeződés a Bragg csúcshoz tartozó behatolási élység: hatótávolság terápiás felhasználás! Protonsugárzás különböző energiájú protonsugárzá s behatolása vízbe (DFS 2.67 ábra) Bragg csúcsok alfa béta gaa neutron áthatolóképesség nagyon kicsi kicsi nagyon nagy nagyon nagy veszélyesség belső belső/ külső külső külső védele papír űanyag ólo, beton víz, beton.. 31 32
2. A sugárzások érése teroluineszcencs dózisérő szcintillációs száláló 33 34 Ionizációs kara Fildoziéter fil fényzáró tokban egfeketedése arányos az ionizáló sugárzás dózisával két réteg: érzékenyebb (50 μsv-50 Sv) érzéketlenebb (50 Sv-10 Sv). szűrők: űanyag, Al, Pb, stb. lehetővé teszik a sugárzás fajtájának és energiájának egállapítását, A: rekobináció B: ionizációs kara C: proporcionális tartoány D: Geiger tartoány hátrányok: csekély pontosság, utólagos kiértékelés (pl. 1 hónap). Orvosi fizika gyakorlatok, 2005 35 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005 36
Zsebkara doziéter GM-csöves szálálók Teroluineszcens dózisérő az elektronok csapdába kerülnek Orvosi fizika gyakorlatok, 2005 37 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005 Gyűrűbe foglalt TLDkapszula (a kéz sugárterhelésének detektálására), ill. a agyar fejlesztésű PILLE nevű teroluineszcens doziéter kiértékelő egysége az űrben (Sally Ride 1984). 38