Interakce ionizujícího záření s látkou

Prezentace na téma: "Interakce ionizujícího záření s látkou"— Transkript prezentace:

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 k odtržení 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]

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]

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
úměrné energii dopadající částice úměrné A2 prostředí nepřímo úměrné druhé 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 látce se spojí s volným elektronem. Jejich klidové hmotnosti (2x0.511MeV) se přemění ve 2 fotony anihilačního záření: každý s energií MeV letící opačným směrem

20 Vlastnosti fotonového záření - I
Elektromagnetické záření Nulový elektrický náboj 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 projevují korpuskulární vlastnosti

22 Interakce fotonového záření s látkou
OBECNĚ: existuje mnoho 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 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

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,kdy h > 2 x 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  Z E2

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