Physics | Energy » Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása

1. Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása (2-34) Gondolat, 1976 2. Fizikai dózisfogalmak (35-41) 3. A sugárzás mérése (42-47) KAD 2010.0915 2 Prefixumok levegőben (átlagosan) 1 ionpár keltéséhez 34 eV = 5.4 aJ energia szükséges 3 yotta Y 1024 zetta Z 1021 exa E 1018 peta P 1015 tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hekto h 102 deka da 101 deci d 10-1 centi c 10-2 milli m 10-3 mikro μ 10-6 nano n 10-9 piko p 10-12 femto f 10-15 atto a 10-18 zepto z 10-21 yocto y 10-24 3 nagyságrendenként külön prefixum minden nagyságrendre külön prefixum 3 nagyságrendenként külön prefixum 4 Alfa-sugárzás és az anyag kölcsönhatása pályája egyenes (v. atommagon szóródás) alfa-részecske: He atommag αforrás elektromos töltése: 2e+ kezdő sebesség több mint 1000 km/s kinetikus energia néhány MeV 214Po α-részecskéjének fajlagos ionizációja (levegő esetén) a

megtett út függvényében ionizálóképesség jellemzése lineáris ionsűrűség (fajlagos v. specifikus ionizáció) l hosszúságú úton n db ionpárt hoz létre árnyékolás (Rontó - Tarján 3.1 ábra) 5 hatótávolság (R, Reichweite): az a távolság, amit egy részecske a közegben befut, míg energiája a termikus értékre nem csökken pl. Ra: R (levegőben) = 34 cm, 6 Béta-sugárzás és az anyag kölcsönhatása R (folyadékban) = 10-100 µm fékezőképesség: egységnyi úthosszra vonatkoztatott energia veszteség (a közeg szempontjából) lineáris energia átadás (LET, Linear Energy Transfer) (a részecske szempontjából) LET = (lineáris ionsűrűség) . (1 ionpár keltésére jutó energia) egyéb hatások: (ionizáció/gerjesztések) karakterisztikus röntgen-sugárzás szcintilláció biológiai: funkcionális és morfológiai elváltozások végül: hő atommaggal való ütközés: magreakció (kis valószínűséggel) 7 béta-részecske: elektron

(vagy pozitron) elektromos töltése: 1e– (vagy 1e+) lineáris ionsűrűség: az alfáénál 1000-szer kisebb pályája zegzugos (az elektron szóródik az elektronokon), visszaszórás is lehet spektruma folytonos (antineutrinó!), így nincs egységes hatótávolság levegőben: 10 cm- 1 m víz (szövet): 1 mm-1cm 8 Töltéssel rendelkező részecskék Sugárzás és anyag kölcsönhatása fajlagos ionizációja levegőben ionpár/1mm levegő α-részecske 1000 32P β-spektruma (Rontó - Tarján 3.2 ábra) proton 100 elektron 10 0,01 0,1 β sugárzás maximális hatótávolsága a maximális energia függvényében 1 Az α-, a β- és a proton sugárzás átlagos fajlagos ionizációja a részecske energia függvényében, a levegőben 16 as (Rontó - Tarján 3.3 ábra) 9 10 kitérő kitérő Eloszlás sűrűségfüggvény ΔN ⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ Δh ⎝ 10 cm ⎠ h: testmagasság ΔN ⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ Δh ⎝ 10 cm ⎠ ΔH Δh H 1 160 170 180

190 200 210 Spektrum mint speciális eloszlás sűrűségfüggvény 11 60 0 0 h görbe alatti terület: H 20 2 ΔH Δh görbe alatti terület: n 40 3 4 80 5 H: kollektív magasság Spektrum 100 Eloszlás sűrűségfüggvény h (cm) 160 170 180 190 200 210 h (cm) 12 Gamma/röntgen-sugárzás anyaggal való kölcsönhatása 13 14 15 16 (találkozik egy elektronnal) annihiláció 17 A sugárzás leírására használható fizikai mennyiségek energia E [J] teljesítmény intenzitás ΔE Δt J= P= ⎡J ⎤ ⎢s = W⎥ ⎣ ⎦ ΔP ΔA 18 A sugárintenzitás gyengülése elegendően vékony (Δx) abszorbensre: ⎡W⎤ ⎢ m2 ⎥ ⎣ ⎦ x (makroszkopikus) vastagságú abszorbensre: energia áram ΔJ = − μJΔx ΔJ = − μJ Δx J = J 0e − μ x μ: gyengítési együttható μ= 0,693 D (Power) spektrum is! ? 2.6 ⋅ 10 21 ⋅ 1 eV = 26 ⋅ 1017 ⋅ 10 4 eV 19 pl. D = 2 cm D felezési rétegvastagság 20 A sugárintenzitás

gyengülése J = J 0e − μ x J = J 0e − μm xm μ = μ (Z, ρ ; ε ) μ m = μ m (Z; ε ) gyengítési együttható μ= 0,693 D J = J 0e − μ x a kitevő: μm = μ ρ sűrűség tömeggyengítési együttható μm = részleges gyengítési eh.-k 0,693 Dm μm = τ m + σ m + κ m − μx = − μ m ρx = −ε *cx = −σnx moláris konc. μ = μ (Z, ρ ; ε ) gyengítési együttható, 1/cm μ m = μ m (Z; ε ) tömeggyengítési együttható, cm2/g ε* moláris extinkciós együttható, L/(mol*cm) σ hatáskeresztmetszet, cm2 21 Gyengítési együttható részecske konc. 22 Tömeggyengítési együttható 23 24 μm fotonenergiától és az abszorbens minőségétől való függése Gyengítési/tömeggyengítési együttható 25 μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése ólom esetén 26 μm részfolyamatainak fotonenergiától való függése víz esetén 27 28 ( ) Zeff = 3 ∑ fi Zi3 anyag Zeff zsír 6-7

levegő 7.26 víz 7.5 80 60 40 fotoeffektus Compton effektus lágy szövet 7-8 29 csont 12-14 jód 53 bárium 56 ólom 82 20 1 keV Neutronsugárzás egyes magreakciók terméke, bombázott atommagok gerjesztett állapotba kerülnek, felesleges energiájuktól neutronkibocsátással szabadulnak meg elektromos töltéssel nem rendelkezik, ezért csak közvetve ionizál; a kölcsönhatások fajtái: 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 (>100 MeV): magtöredékek, n-ok, γ-sugárzás 31 párképződés rendszám, Z Effektív rendszámok vezető kölcsönhatás 10 keV 100 keV 1 MeV 10 MeV 30 100 MeV Protonsugárzás Bragg csúcsok protonok

közegbeli kölcsönhatása nagyon hasonló az alfa sugárzáséhoz különböző energiájú protonsugárzá s behatolása vízbe (DFS 2.67 ábra) a felülethez közeli rétegekben csak kicsi a lefékeződés a Bragg csúcshoz tartozó behatolási mélység: hatótávolság terápiás felhasználás! 32 alfa áthatolóképesség nagyon kicsi veszélyesség belső védelem papír béta kicsi gamma nagyon nagy külső belső/ külső műanyag ólom, beton neutron nagyon nagy külső víz, beton . . 33 2. Fizikai dózis-fogalmak elnyelt dózis = D= Sugárterhelés és dózisszintek elnyelt energia tömeg ΔE ΔE = Δm ρΔV 34 halálos dózis (LD): [D] = J = Gy kg (Gray) az a dózismennyiség, amely 30 napon belül a besugárzott személyek 100 %-ának a halálához vezet, LD> 8 Gy teljes test besugárzás esetén érvényesség: félhalálos dózis (LD50): minden ionizáló sugárzásra korlátozás nélkül az a dózismennyiség, amely 30 napon belül a

besugárzott személyek 50 %-ának a halálához vezet, LD50> 5-8 Gy teljes test besugárzás esetén régi egység:1 rad = 0,01 Gy 35 36 A besugárzási és az elnyelt dózis kapcsolata besugárzási dózis = (létrehozott pozitív) töltés (levegő) tömeg ΔQ ΔQ = X= Δmlevegő ρlevegő ΔV levegőben átlagosan 34 eV szükséges egy ionpár keltéséhez D = f ·X , ahol f = 34 J/C lev 0 0 kis részecskeenergia esetén <0.6 MeV< nagy részecskeenergia esetén [X ] = C kg Dlev érvényesség: ? – Röntgen és gamma sugárzásra Dszöv – levegőben – 3 MeV alatt – elektronegyensúly esetén Elektronegyensúly tömeggyengítési együttható 37 kis fotonenergia esetén < 0.6 MeV Bragg-Gray elv tömegfékező 38 képesség nagy fotonenergia esetén > 0.6 MeV szövet a V térfogatból kilépő és az abba belépő elektronok száma megegyezik (levegőekvivalens) fekete pontok: primer elektronok fekete vonalak: szekunder elektronok

39 levegővel telt üreg kamrafal olyan vékony kamrafal, hogy az elektronok akadály nélkül behatolnak az ionsűrűség a mérőüregben megyezik a szövetivel szövetekvivalens kamrafal 40 3. A sugárzások mérése dózisteljesítmény dózis kiszámítása pontszerű gamma sugárforrás esetén levegőben forrás néhány sugárforrás dóziskonstansa 41 42 Szcintillációs számláló Ionizációs kamra A: rekombináció B: ionizációs kamra (összegyűjti az összes iont, a sugárzás ionizáló hatását méri) C: proporcionális tartomány 44 D: Geiger tartomány (lavina effektus) 43 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005 Zsebkamra doziméter Filmdoziméter GM-csöves számlálók film fényzáró tokban megfeketedése arányos az ionizáló sugárzás dózisával két réteg: érzékenyebb (50 mSv-50 mSv) érzéketlenebb (50 mSv-10 Sv). szűrők: műanyag, Al, Pb, stb. lehetővé teszik a sugárzás fajtájának és energiájának megállapítását,

hátrányok: csekély pontosság, utólagos kiértékelés (pl. 1 hónap) 45 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005 46 Orvosi fizika gyakorlatok, 2005 Termolumineszcens dózismérő az elektronok” csapdába” kerülnek gyűrűbe foglalt TLDkapszula (a kéz sugárterhelésének detektálására), ill. a magyar fejlesztésű „PILLE” nevű termolumineszcens doziméter kiértékelő egysége az űrben (Sally Ride 1984). 47