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 slupkách Charakteristické (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  - 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

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 Fotoelektron h 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 h´ h Comptonův elektron Interakce na vnějších slupkách Absorbována jen část energie E = h = h´ + 1/2 mv2 Pravděpodobnost  Z /E

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a Elektron h Pozitron ha Interakce fotonu v poli jádra Absorbována veškerá energie E = h = e+ + e- + 2 mc2 Pravděpodobnost  Z E2

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

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

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

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