Upload
mary
View
66
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Interakce ionizujícího záření s látkou. Interakce IZ s látkou. Záření: přímo ionizující - nabité částice ( , - , + , p,d) - předává svou energii prostředí přímo - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Interakce ionizujícího záření s látkou
Interakce IZ s látkou
• Záření:* přímo ionizující - nabité částice (, -, +, p,d) -
předává svou energii prostředí přímo* nepřímo ionizující - bez elektrického náboje (n, ,
X, brzdné záření) - předává svou energii nepřímo prostřednictvím sekundárních nabitých částic
• Dominantní způsob předávání energie:* ionizace a excitace atomů prostředí
Ionizace
• Energie předaná elektronu dostatečně velká k odtržení elektronu z atomu
• Energie částice > Wb
• Důsledek: vzniká pár elektron - kladně nabitý iont
Excitace
• Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce
• Excitovaný stav nestabilní: elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie je emitována
Emise přebytečné energie -I
• Excitace na vnitřních slupkáchCharakteristické (X, RTG) záření
Emise přebytečné energie -II
• Excitace na vnitřních slupkách
Augerův elektron (elektron+ kladně nabitý iont)
Emise přebytečné energie - III
• Excitace na vnějších slupkách
Luminiscenční záření(viditelné světlo)
Využití: scintilační detektory
Interkce přímo IZ - I
• Těžké nabité částice (p, deuterony, , těžké ionty)
* Mechanismus interakce: nepružné srážky s elektrony atomového obalu, při nichž se postupně spotřebovává energie nab. č. na ionizaci a excitaci atomů prostředí
* Hmotnost těžké nab.č. hmotnost elektronu změny směru dopadající částice zanedbatelné, dráha přímočará
Dosah částic - R
R - vzdálenost, do níž částice pronikne v dané látce; u záření udáváme střední lineární dosah
E [MeV] Vzduch [cm] Biologická tkáň [10-4 cm] Hliník [10-4 cm]
4 2.5 31 16 5 3.5 43 23 6 4.6 56 30 8 7.4 91 48
10 10.6 130 69
Dosah částic
• R roste s rostoucí energií• R klesá s rostoucím Z materiálu
* R(tkáň) R(vzduch)/800
* R (hliník) R(tkáň)/2
* R(hliník) R(vzduch)/1500
Interakce přímo IZ - II
• Lehké nabité částice (elektrony, pozitrony)
* Mechanismy interakce: dvě možnosti
* pružné srážky s elektrony atomového obalu ionizace, excitace
* rozptyl v poli atomového jádra brzdné záření
Interakce přímo IZ - III
• První možnost: srážky s elektrony atomového obalu : jedná se o srážku dvou stejně těžkých částic, jejich dráha je klikatá a podstatně méně ionizují (řídce ionizující záření)
• U nich mluvíme o maximálním dosahu
Dosah částic - RR - vzdálenost, do níž částice pronikne v dané látce; u záření udáváme maximální lineární dosah
E [MeV] Vzduch [mm] Biologická tkáň [mm] Hliník [mm]
0.01 1.3 0.002 0.0006 0.1 101 0.158 0.050 1.0 3060 4.80 1.52 5.0 19000 29.8 9.42
10.0 39000 60.8 19.2
Dosah částic
• R roste s rostoucí energií
* R (tkáň) R (vzduch)/800
* R (hliník) R (tkáň)/2
* R (hliník) R (vzduch)/1500
Interakce přímo IZ
• Druhá možnost:Rozptyl v poli atomového jádra
Jádro +
Foton brzdného záření
Elektron
Ztráty energie brzdným zářením - I
• úměrné energii dopadající částice
• úměrné A2 prostředí
• nepřímo úměrné druhé mocnině hmotnosti částice
Ztráty energie brzdným zářením - II
A2
* důležitá pro stínění záření * př.: E max = 2 MeV v plexi ztratí 0.7 % své
energie, v olovu 8 % při stínění dávat přednost lehkým materiálům (plexi, hliník)
Ztráty energie brzdným zářením - III
1/ (mčástice)2 u těžkých částic jsou
ztráty energie brzdným zářením zanedbatelné
Pozitrony +
• Na rozdíl od - jsou pozitrony nestabilní
• Po ztrátě energie v látce se spojí s volným elektronem. Jejich klidové hmotnosti (2x0.511MeV) se přemění ve 2 fotony anihilačního záření:
* každý s energií 0.511 MeV
* letící opačným směrem
Vlastnosti fotonového záření - I
• Elektromagnetické záření
• Nulový elektrický náboj
• Nulová klidová hmotnost
• Energii předává látce prostřednictvím sekundárních elektronů
Vlastnosti fotonového záření - II
• Některé jevy v kvantové mechanice lze vysvětlit pouze na základě
* vlnových vlastností, tj. elmag.záření se chová jako vlnění
* korpuskulárních vlastností, tj. elmag záření se chová jako částice
• Při interakci s látkou se více projevují korpuskulární vlastnosti
Interakce fotonového záření s látkou
• OBECNĚ: existuje mnoho typů interakcí (s elektrony atomového obalu, s atomovým jádrem, s coulombovským polem elektronů nebo jádra
Interakce fotonového záření s látkou
• Z hlediska lékařských aplikací dominantní 3 interakce:
• Fotolelektrický jev
• Comptonův rozptyl
• Tvorba elektron - pozitronových párů
Fotoelektrický jev - I
• Foton předá v jediné interakci svoji energii elektronu z vnitřní slupky atomového obalu, elektron je emitován. Tento tzv. fotoelektron na své dráze ionizuje a excituje atomy prostředí
Fotoelektrický jev - II
• Kinetická energie fotoelektronu
• E = 1/2 mv2 = h - Wb
h ……….. energie dopadajícího fotonu Wb ……….. vazbová energie elektronu
Fotoelektrický jev - III
• Místo na vnitřní slupce za zaplní elektronem z vyšší slupky emise charakteristického záření nebo Augerova elektronu.
• Pravděpodobnost fotoefektu vztažená na 1 atom:
* Úměrná Z5
* Nepřímo úměrná (h)3
Fotoelektrický jev - IV
h
Fotoelektron
• Interakce na vnitřních slupkách• Absorbována veškerá energie• E = h = Wb+1/2 mv2 • Pravděpodobnost Z5 /E3
Comptonův rozptyl - I
• Foton předává pružným rozptylem část své energie elektronu na vnější slupce atomového obalu
• Výsledek interakce:
* Rozptýlený foton e energií < primární foton; další interakce Comptonovým rozptylem tak dlouho, až převládne pravděpodobnost zániku fotoefektem
* Odražený (Comptonův) elektron ionizace a excitace atomů okolí
Comptonův rozptyl - II
• Pravděpodobnost Comptonova rozptylu vztažená na 1 atom:
* úměrná Z
* nepřímo úměrná h
Comptonův rozptyl - III
hComptonův elektron
• Interakce na vnějších slupkách• Absorbována jen část energie• E = h = h´ + 1/2 mv2 • Pravděpodobnost Z /E
h´
Tvorba elektron - pozitronových párů - I
• Foton je pohlcen v elektrickém poli atomového jádra. Jeho energie h se přemění na:
* Energii odpovídající klidovým hmotnostem - a +
* Kinetickou energii - a +
• TEDY: může nastat pouze tehdy,kdy h > 2 x 0.511 MeV = 1.02 MeV (prahová reakce)
Tvorba elektron - pozitronových párů - II
• Pravděpodobnost tvorby elektron - pozitronových páru vztažená na 1 atom:
* Úměrná Z2
* Úměrná h
Tvorba elektron-pozitronových párů - III
h
• Interakce fotonu v poli jádra• Absorbována veškerá energie• E = h = e+ + e- + 2 mc2 • Pravděpodobnost Z E2
ha
Elektron
Pozitron
ha
Lineární součinitel zeslabení
• Nabité částice určitý dosah v látce R
• Fotony lineární součinitel - střední počet fotonů, které budou na určité dráze interagovat
• Definice : = (1/N) . (dN/dx), kde dN je počet částic, u nichž došlo k interakcím při průchodu celkového počtu částic N dopadajícího na vrstvu o tloušťce dx
Polotoušťka
• Poloušťka = vrstva látky zeslabující počet fotonů na polovinu původní hodnoty:
• N0/2 = N0 .e-d d = ln(2)/
• Polotloušťka:
* roste s rostoucí energií fotonového záření
* klesá s rostoucím Z materiálu
Polotloušťka různých materiálů pro různé energie fotonů
d - vrstva látky zeslabující počet fotonů na polovinu původní hodnoty
E [MeV] d[cm]
Voda Beton Železo Olovo
0.5 7.8 3.0 1.11 0.42
1.0 10.2 4.5 1.56 0.9
3.0 18.3 7.8 2.31 1.47
5.0 23.1 9.9 2.88 1.47
Geometrie úzkého svazku
absorpční vrstvy
zdroj
kolimátor
detektor
N=N0e-x
Geometrie širokého svazku
absorpční vrstvy
zdroj
detektor
N=N0Be-x
b
a
Hodnoty polotloušťkyEnergie fotonů [MeV]
Materiál 0.5 0.8 1.25
A B A B A B
voda 72 110 88 120 110 140
beton 34 47 42 58 52 73
železo 10.5 15 13 20 17 24
olovo 4 5 7 8.5 11 11
A (B) hodnoty pro úzký (široký) svazek záření