Interakce ionizujícího záření s látkou

1. Interakce ionizujícího záření s látkou

2. 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

3. Ionizace • Energie předaná elektronu dostatečně velká kodtržení elektronu z atomu • Energie částice > Wb • Důsledek: vzniká pár elektron - kladně nabitý iont

4. Excitace • Přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce • Excitovaný stav nestabilní: elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie je emitována

5. Emise přebytečné energie -I • Excitace na vnitřních slupkách Charakteristické (X, RTG) záření

6. Emise přebytečné energie -II • Excitace na vnitřních slupkách Augerův elektron (elektron+ kladně nabitý iont)

7. Emise přebytečné energie - III • Excitace na vnějších slupkách Luminiscenční záření (viditelné světlo) Využití: scintilační detektory

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. Dosah částic  - R R - 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

14. Dosah částic  • R roste s rostoucí energií • R (tkáň)  R (vzduch)/800 • R  (hliník)  R (tkáň)/2 • R (hliník)  R (vzduch)/1500

15. Interakce přímo IZ • Druhá možnost:Rozptyl v poli atomového jádra Jádro + Foton brzdného záření Elektron

16. Ztráty energie brzdným zářením - I • úměrnéenergii dopadající částice • úměrné A2 prostředí • nepřímo úměrnédruhé mocnině hmotnosti částice

17. 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)

18. Ztráty energie brzdným zářením - III •  1/ (mčástice)2u těžkých částic jsou ztráty energie brzdným zářením zanedbatelné

19. Pozitrony + • Na rozdíl od - jsou pozitrony nestabilní • Po ztrátě energie v látcese spojís volným elektronem.Jejichklidové hmotnosti(2x0.511MeV) se přeměníve 2 fotony anihilačního záření: • každý s energií 0.511 MeV • letící opačným směrem

20. Vlastnosti fotonového záření - I • Elektromagnetické záření • Nulový elektrickýnáboj • Nulová klidová hmotnost • Energii předává látce prostřednictvím sekundárních elektronů

21. 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 projevujíkorpuskulární vlastnosti

22. Interakce fotonového záření s látkou • OBECNĚ: existujemnoho typů interakcí(s elektrony atomového obalu, s atomovým jádrem, s coulombovským polem elektronů nebo jádra

23. Interakce fotonového záření s látkou • Z hlediska lékařských aplikací dominantní 3 interakce: • Fotolelektrický jev • Comptonův rozptyl • Tvorba elektron - pozitronových párů

24. 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

25. Fotoelektrický jev - II • Kinetická energie fotoelektronu • E = 1/2 mv2 = h - Wb • h ……….. energie dopadajícího fotonu • Wb ……….. vazbová energie elektronu

26. 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

27. Fotoelektrický jev - IV Fotoelektron h • Interakce na vnitřních slupkách • Absorbována veškerá energie • E = h = Wb+1/2 mv2 • Pravděpodobnost  Z5 /E3

28. Comptonův rozptyl - I • Foton předává pružným rozptylemčást 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

29. Comptonův rozptyl - II • Pravděpodobnost Comptonova rozptylu vztažená na 1 atom: • úměrná Z • nepřímo úměrná h

30. Comptonův rozptyl - III h´ h Comptonův elektron • Interakce na vnějších slupkách • Absorbována jen část energie • E = h = h´+ 1/2 mv2 • Pravděpodobnost  Z/E

31. 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,kdyh > 2 x 0.511 MeV = 1.02 MeV(prahová reakce)

32. Tvorba elektron - pozitronových párů - II • Pravděpodobnost tvorby elektron - pozitronových páru vztažená na 1 atom: • Úměrná Z2 • Úměrná h

33. Tvorba elektron-pozitronových párů - III ha Elektron h Pozitron ha • Interakce fotonu v poli jádra • Absorbována veškerá energie • E = h = e+ + e-+ 2 mc2 • Pravděpodobnost  ZE2

34. 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

35. 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

36. Polotloušťka různých materiálů pro různé energie fotonů d - vrstva látky zeslabující počet fotonů na polovinu původní hodnoty

37. Geometrie úzkého svazku kolimátor absorpční vrstvy zdroj detektor N=N0e-x

38. Geometrie širokého svazku absorpční vrstvy detektor b zdroj a N=N0Be-x

39. Hodnoty polotloušťky Energie fotonů [MeV] A (B) hodnoty pro úzký (široký) svazek záření