radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az … · a b–sugárzás...
TRANSCRIPT
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/WR
• Áthatolóképesség, 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.)
– Filmdoziméterek, termolumineszcens doziméterek (190 o.)
Szöllősi János , Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet, ÁOK, Debreceni Egyetem
Mire használhatók a magsugárzások?
Mi lenne velünk a magsugárzások nélkül?
• Az élet biztonságosabb lenne, de nem lenne evolúció
• Ezenkívül, nem tudnák felhasználni a magsugárzások diagnosztikai és terápiás lehetőségeit az
orvostudományban
Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek a magsugárzások?
• A természetben előforduló magsugárzásoknak három fő típusát különböztetjük meg:
alpha, béta and gamma sugárzás.
• Mindhárom sugárzás az atommagból lép ki, még a negatív béta sugárzás is, ami egy
elektron.
• A magsugárzások elsődleges kölcsönhatása az anyaggal, az ionizáció.
Mit tanulunk ma?
• A magsugárzások speciális tulajdonságait
• A magsugárzások kölcsönhatásait az anyaggal, az áthatolóképességet
• A direkt (elsődleges) és indirekt (másodlagos) ionizációk közötti különbséget
• Magsugárzások detektálásának módjait
Cél: A magsugárzások tulajdonságainak megismerése, hogy
• megértsük, miért olyan veszélyesek ezek a sugárzások
• miképpen használjuk fel ezeket a tulajdonságokat a magsugárzások detektálására
• mérlegelni tudjuk a magsugárzások diagnosztikai és terápiás alkalmazásának kockázatát és
hasznosságát
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
Különböző magsugárzások tulajdonságai!
a-sugárzás: az a részecskék energiája jellemző az adott bomlásra
226Ra
222Rn
E
a részecskék 4.784 MeV kinetikus energiával
(1 eV = 1.610–19 J)
5*
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
m0, -e
b
F
v
2
2
z ME
b E
Töltött részecskék és anyag kölcsönhatása:5*
2
2
zeF k
r
Eb
MzE
2
2
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
becsapódó α részecske pályája
ionizáció gerjesztés
d sugár(nagy sebességű ionizált részecske amely
képes másodlagos ionizációra)
behatolási mélység
ionp
ár/
cm
Bragg csúcs
!
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
b max
E1
E2
E = Eb+Em
N (Eb)
Eb [keV]
!
E = Eb+Em
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
becsapódó részecske pályája
ionizáció gerjesztés
d sugár
fékezési rtg. sugárzás
0xJ J e m 0xJ J e m
!
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,
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).
2
2
z ME
b E
5*
N2 N2+ 15,6 eV
2 MeV alpha részecske 128200 N2 molekulát ionizál
2 MeV beta részecske 128200 N2 molekulát ionizál
O2 O2+ 12,1 eV
2 MeV alpha részecske 165200 O2 molekulát ionizál
2 MeV beta részecske 165200 O2 molekulát ionizál
5*
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:
0xJ J e m
!
rétegvastagság
Átm
enő
inte
nzi
tás
Az g sugárzás exponenciális gyengülése anyagi rétegen
való áthaladás során
0xJ J e m
!
Röntgen és gamma sugárzás abszorpciója III.
1. Fotoeffektus: a foton abszorbeálódik, teljes kinetikus energiáját átadja az
atomnak, ennek hatására egy elektron kilép az atomból.
+ K L M
gamma foton
kilökött fotoelektron
A – ionizációs energia
A röntgen- és gammasugárzás abszorpciójához vezető legfontosabb kölcsönhatások:
2
m
3
3
eff
3
τ: a fotoeffektus gyengítési együttható
τ : a fotoeffektus tömeggyengítési együttható, cm /g
ρ: sűrűség, g/cm
Z : effektív rendszám
;m m effkonst Zm
21
2kinetikus e ehf A E A m v
!
Röntgen és gamma sugárzás abszorpciója IV.
2. Compton effektus: A foton egy külső elektronnak átadja energiája egy
részét. Az elektron kilökődik, a foton kisebb frekvenciával, irányváltozást
szenvedve halad tovább.
+ K L M
gamma foton (f)
szórt gamma foton (f’)
Compton elektron
A röntgen- és gammasugárzás abszorpciójához vezető legfontosabb
kölcsönhatások:
2
m
3
eff
: Compton szórás gyengítési együttható
:Compton szórás tömeggyengítési együttható, cm /g
ρ: sűrűség, g/cm
Z : effetív rendszám és tömegszám
;
,A
m m
eff
eff
Zconst
A
m
!
2
2
1' eevmAhfhf
Röntgen és gamma sugárzás abszorpciója V.
3. Párképződés: a foton egy nehéz atommag közelében elektron-pozitron
párrá alakul.
+ K L M
elektron
pozitron
Az atommag
meglökődik, ezáltal
átveszi a gamma foton
lendületének egy
részét.
elektron
annihiláció: pozitron
elektronnal ütközve két
gamma fotonná alakul.
2
min cmmhf pozitronelektron
a foton energiájának fedezni kell az
elektron és a pozitron nyugalmi
tömegének megfelelő energiát
MeVJ
smkgcm
mm
elektron
pozitronelektron
02.11064.1
/103101.922
13
28312
Párképződés csak
1.02 MeV energia
fölött jön létre (gamma
sugárzás, KEMÉNY
röntgensugárzás)
A röntgen- és gammasugárzás abszorpciójához vezető legfontosabb kölcsönhatások:
gamma foton
!
Ólom
Víz
Tömeggyengítési együtthatók függése
τ = fotoeffektus
σ = Compton szóródás
κ = párképződés
µ = összesített elnyelődés
5*
A becsapódó részecske pályája
ionizáció gerjesztés
mozgásba hozott elektron
ionizáció gerjesztés
g foton (E=hf)
b– sugárzás
Direkten és indirekten ionizáló sugárzások: a károsítás (ionizáció)
összehasonlítása
BŐR
elsődleges (direkt)
ionizáció
!
másodlagos (indirekt)
ionizációk
típus LET WR
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
Sugárzások ionizáló (energiaátadó) képessége
LET = Lineáris Energia Transzfer
WR = a különböző sugárzások eltérő a biológiai
hatásosságát veszi figyelembe
!
A sugárzás detektálása: gáz töltésű detektorok
Feszültség (V)
Ion
izác
iós
áram
részecske
+ –
anód
GM
b
a
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 részecske
fajtájától)
E: Önfenntartó kisülés
A B C D E
TK. 189-190.
!
NaI(Tl)
A sugárzás detektálása: szcintillációs detektor
kristály becsapódó részecske
fotoelektronfoton
fotokatód
vákuumszámláló kimenet
NaI(Tl)
becsapódó részecske
hf
fotoelektron
dinódák
TK. 486.
!
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
TK. 190
5*
A mai tananyagból levontató általános tanulságok
Kérdezzük meg magunktól:
• Hogyan ionizálják a magsugárzások (α, β, γ) az anyagot?
• Mi a különbség a direkt és indirekt ionizáció között?
• A γ sugárzás milyen mechanizmusok révén hozza létre a direkt
(elsődleges) ionizációt?
• Milyen kapcsolat van a Lineáris Energia Transzfer (LET)
(ionizációs sűrűség) és az áthatolóképesség között?
Orvosként:
• Hogyan árnyékolhatók le az α, β, γ sugárzások?
• Milyen sugárzásokat lehet felhasználni diagnosztikára illetve
terápiára?
• Hogyan befolyásolja a LET a biológiai hatékonyságot?
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