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.

!

!

TK. 486.

A sugárzás detektálása:

szcintillációs detektor

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?

Wilson féle ködkamra

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

Buborékkamra

Folyékony hidrogén