Interakcija i Detekcija

Doc. dr Neboja T. Miloevi

INTERAKCIJA JONIZUJUIH ZRAENJA SA MATERIJOM

1. Naelektrisane estice

2. Neutroni

3. Fotonsko zraenje

Katedra Biofizike u medicini 2

Ponavljanje

Jonizujue zraenje svako zraenje koje jonizuje atome i/ili molekule sredine kroz koju prolazi.

estino (korpuskularno) jonizujue zraenje: alfa zraenje, beta zraenja (elektroni i pozitroni), protoni, joni, neutroni.

Elektromagnetsko (fotonsko) jonizujue zraenje: UV zraenje, X zraenje, zraenje.


Naelektrisane estice

Osnovni proces u interakciji ine sudarinaelektrisanih estica sa atomima (molekulima) sredine.

Elastian sudar ukupna kinetika energija uesnika ostaje nepromenjena.

Neelastian sudar deo kinetike energije se transformie u neki drugi oblik energije.

A. Elastian sudar odvija se u interakciji naelektrisane estice i jezgra atoma. estica predaje deo energije jezgru i skree sa pravca kretanja.



B. Neelastian sudar. Naelektrisana estica prenosi deo kinetike energije na elektrone i/ili jezgro atoma.

Interakcija naelektrisane estice i elektrona dovodi do jonizacije atoma sredine. Ovaj proces je karakteristian za interakciju bilo koje vrste naelektrisanog jonizujueg zraenja.

Interakcija naelektrisane estice sa jezgrom dovodi do nastanka zakonog X zraenja. Ovaj proces je svojstven naelektrisanom zraenju male mase (kao to su elektroni i pozitroni).



Zbog dejstva Kulonove sile izmeu zraenja i atoma sredine, ne postoji direktna interakcija (direktan sudar) izmeu njih!

Slika 1. Model interakcije negativnog (A i B) i pozitivnog (C i D) naelektrisanog zraenja sa elektronima u atomu sredine.



Veliine kojima se procenjuje interakcija naelektrisanog zraenja sa sredinom su:

a) Specifina jonizacija S broj parova jona koje zraenje formira na jedininoj duini puta.

b) Mo zaustavljanja ili linearni energijski transfer(skraeno LET) srednji gubitak energije zraenja na jedininoj duini puta.

c) Domet R prosena duina zraenja pri kojoj ona i dalje jonizuje atome sredine.

d) Trag oblik putanje jonizujueg zraenja.


Neutroni

Predstavljaju nenaelektrisano zraenje koje reaguje samo sa jezgrima atoma sredine. Vrsta interakcije zavisi od energije neutrona.

A. Elastino rasejanje je dominantno za zraenje male energije (nekoliko MeV) u sredini malog rednog broja. Neutron reaguje sa jezgrom atoma i menja svoj pravac kretanja.

B. Neelastino rasejanje je dominantno za neutrone velikih energija u sredini velikog rednog broja. Neutron predaje deo energije jezgru, koje postaje nestabilno i raspada se u novo jezgra uz emisiju neutrona i gama fotona.

C. Zahvat neutrona se odvija u sluaju neutrona veoma male energije (do nekoliko eV). Jezgro hvata neutron i formira sloeno i nestabilno jezgro. Ono se raspada u novo jezgro uz emisiju gama zraenja.


Fotonsko zraenje

Prolaskom snopa fotona kroz sredinu u svakom trenutku se, izmeu snopa fotona i atoma sredine, odvijaju dva procesa:

1. dejstvo sredine na zraenje, koje se manifestuje kroz:

a. smanjivanje intenziteta snopa zraenja ib. elastino rasejanje fotona na vezanom elektronu.

2. dejstvo zraenja na sredinu, u kome zraenje menja svojstva i strukturu sredine. Ono se manifestuje kroz:


Fotonsko zraenje

A. Neelastino rasejanje (Komptonov efekt). Fotoni reaguju sa elektronima iz atomskog omotaa sredine, predaju im deo energije i nastavljaju kretanje sa izmenjenom energijom i pravcem (Slika 2).

Elektroni koji su primili energiju od fotona naputaju atom.

Ovaj proces je dominantan za srednje energije fotona u sredini malog rednog broja.

Slika 2.


Fotonsko zraenje

B. Apsorpcija fotona.1. Fotoelektrini efekt. Fotoni reaguju

sa elektronima iz spoljnih orbitala atoma i predaju im svu svoju energiju.

Elektroni su dobili energiju dovoljnu da napuste atom (Slika 3).

Dominantan proces u sluaju fotona malih energija u sredini velikog rednog broja.

Slika 3.


Fotonsko zraenje

2. Stvaranje para estica. Fotoni u blizini jezgra atoma ili elektrona nestaju, a na mestu nestanka nastaju dve estice: elektron i pozitron (Slika 4).

Da bi se ovaj proces dogodio, foton mora da ima energiju veu od 1,022MeV.

Za bilo koju energiju fotona viu od 1,022 MeV i sredinu velikog rednog broja, ovaj proces je dominantan.

Slika 4.

Katedra za Biofiziku 12

DETEKCIJA I DOZIMETRIJA JONIZUJUIH ZRAENJA

1. Jonizacija gasa

2. Luminiscencija

3. Hemijske promene

4. Doze zraenja


Detekcija zraenja

Detektor je ureaj pomou koga se jonizujue zraenje registruje i/ili meri.

in detekcije jonizujuih zraenja uvek predstavlja indirektan proces. Jonizujue zraenje izaziva u detektoru razliite fizike (ili hemijske) procese.

U sluajevima kada se intenzitet nastalih procesa moe izmeriti, tada je mogue proceniti i intenzitet jonizujueg zraenja (koje je izazvalo pomenute procese).

Jonizacija gasa

Na ovom procesu zasnovan je rad gasnih detektora.

Gas na odreenoj vrednosti pritiska nalazi se izmeu dve elektrode (katode i anode), koje su povezane na izvor napona.

Zraenje reaguje sa atomima (ili molekulima) gasa i predaje deo energije elektronima u atomskom omotau. Predata energija je dovoljna da elektroni napuste atome.

Krajnji rezultat reakcije zraenja sa gasom predstavlja formiranje slobodnih elektrona i pozitivnih jona gasa.


Jonizacija gasa

Slika 5. Princip rada gasnih detektora.


Jonizacija gasa

Usled postojanja razlike potencijala izmeu elektroda, elektroni i joni se kreu ka suprotno naelektrisanim elektrodama.

Kretanje elektrona i jona indukuje nastanak elektrine struje u gasu. Jaina ove struje registruje se ampermetrom.

Vrednost jaine struje zavisi od napona izmeu elektroda detektora.

Kada je napon izmeu elektroda dovoljno veliki da se na elektrodama sakupe svi primarno nastali elektroni i joni, jaina struje u kolu postaje konstantna.

Interval napona u kome se dogaa ovaj efekt naziva se oblast strujne saturacije. U ovoj oblasti rade gasni detektori koji se nazivaju jonizacione komore.


Jonizacija gasa

Ako se napon izmeu elektroda povea, doi e do pojave sekundarne jonizacije. Elektroni, nastali u reakciji zraenja sa atomima gasa, imaju dovoljnu energiju da pri sudaru sa sa drugim atomima gasa izvre njihovu jonizaciju.

Oblast napona pri kojoj se ovaj efekat odvija naziva se oblast ograniene proporcionalnosti. U ovoj oblasti rade proporcionalni brojai.

Daljim porastom napona dolazi do umnoavanja broja nosilaca naelektrisanja nezavisno od poetnog broja primarnih nosilaca (tzv. efekat lavine).

Ova oblast napona naziva se oblast nelinearne proporcionalnosti. U njoj rade Gajger-Milerovi brojai.



Luminiscencija

je emisija svetlosti pri deekscitaciji elektrona u atomu ili molekulu.

U zavisnosti od vrste jonizujueg zraenja, koje pobuuje atome, razlikuju se dve vrste luminiscencije:

a) fotoluminiscencija (X i zraenje),b) radioluminiscencija (estino jonizujue zraenje).

Na pojavi radioluminiscencije zasnovan je rad scintilacionih i termoluminiscentnih detektora.


Luminiscencija

Scintilacioni detektori. Zraenje pobuuje atome materijala (scintilatora), nakon ega se oni deekscituju emitujui svetlost u formi kratkotrajnog impulsa (bljeska), tj. scintilacija. U najeem broju sluajeva scintilator emituje ljubiastu ili plavu svetlost.

Termoluminiscentni detektori. Zraenje pobuuje atome detektora na vie energijske nivoe ije je vreme ivota relativno dugo u odnosu na ostala pobuena stanja (metastabilna stanja). Zagrevanjem ozraenog detektora atomi u metastabilnim pobuenim stanjima se deekscituju uz emisiju svetlosti. Intenzitet emitovane svetlosti je proporcionalan intenzitetu apsorbovanog zraenja.


Hemijske promene

Jonizujue zraenje u interakciji sa sredinom moe da izazove i promene u njenoj hemijskoj strukturi.

Fotografski (i rendgenski) film. Zraenje deluje na srebrobromid u emulziji filma i dolazi hemijske reakcije izdvajanja atoma metalnog srebra.

Atomi metalnog srebra su crne boje. Zato je makroskopski efekt detekcije zraenja zacrnjenje emulzije filma. Gustina zacrnjenja proporcionalna je intenzitetu jonizujueg zraenja.

Doze zraenja

Detekcija zraenja registrovanje i merenje intenziteta jonizujueg zraenja.

Dozimetrija zraenja merenje koliine efekata koje jonizujue zraenje generie u nekoj sredini.

Pravilna procena efekata zraenja u nekoj sredini podrazumeva poznavanje svojstava snopa zraenja(priroda, smer i energija svake estice zranog snopa) u svakom delu sredine.

Merenje koliine efekata izraava se pomou etiri veliine koje se nazivaju doze zraenja.



Doze zraenja

1) Ekspoziciona doza zraenja ukupna koliina naelektrisanja jona jednog znaka (Q) koju fotonsko zraenje proizvede u odreenoj masi vazduha (m).

)KgC(

mQX

=

2) Apsorbovana doza zraenja ukupna koliina energije zraenja (E) koju ono predaje materijalu odreene mase (m).

)GyKgJ( =

=mED


Doze zraenja

Dejstvo razliitih vrsta jonizujuih zraenja na bioloki sistem nije jednako.

Bioloka efikasnost (ili intenzitet generisanja biolokih promena) nekog zraenja odreuje se u odnosu na bioloki efekat X zraenja energije od 250 keV.

Radijaciono teinski faktor (r) odnos bioloke efikasnosti izabranog zraenja i bioloke efikasnosti X zraenja energije 250 kV.

Uvoenje veliine r omoguilo je formulisanje ekvivalentne doze zraenja.

)Sv(DH r =


Doze zraenja

Razliiti delovi tela i organi imaju razliitu osetljivost na jonizujue zraenje.

Dejstvo jonizujueg zraenja na odreene organe i tkiva definisano je efektivnom dozom zraenja.

)Sv(HE tH = t je tkivni teinski faktor, parametar koji definie osetljivost tkiva i organa na jonizujue zraenje.

Najveu osetljivost na jonizujue zraenje imaju gonade (0,2), a najmanju koa i povrinski sloj kostiju (0,01).

Doc. dr Neboja T. MiloeviPonavljanjeNaelektrisane esticeNaelektrisane esticeNaelektrisane esticeNaelektrisane esticeNeutroniFotonsko zraenjeFotonsko zraenjeFotonsko zraenjeFotonsko zraenjeSlide Number 12Detekcija zraenjaJonizacija gasaJonizacija gasaJonizacija gasaJonizacija gasaLuminiscencijaLuminiscencijaHemijske promeneDoze zraenjaDoze zraenjaDoze zraenjaDoze zraenja

Documents

Interakcija i Detekcija