Interakce ionizujcho zen s ltkou Interakce IZ s

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 [Me. V] Vzduch [cm] Biologická tkáň [10 -4 cm] Hliník [10 -4 cm] 4 5 2. 5 31 43 16 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 [Me. V] Vzduch [mm] Biologická tkáň [mm] 0. 01 0. 1 1. 3 101 Hliník [mm] 0. 002 0. 158 0. 0006 0. 050 4. 80 1. 52 1. 0 3060 5. 0 19000 29. 8 10. 0 39000 60. 8 9. 42 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 A 2 prostředí • nepřímo úměrné druhé mocnině hmotnosti částice

Ztráty energie brzdným zářením - II • A 2 * důležitá pro stínění záření * př. : E max = 2 Me. V 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 (2 x 0. 511 Me. V) se přemění ve 2 fotony anihilačního záření: * každý s energií 0. 511 Me. V * 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 mv 2 = h - Wb v h ………. . energie dopadajícího fotonu v 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 Z 5 * Nepřímo úměrná (h )3

Fotoelektrický jev - IV Fotoelektron h • Interakce na vnitřních slupkách • Absorbována veškerá energie • E = h = Wb+1/2 mv 2 • Pravděpodobnost Z 5 /E 3

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 ´ + 1/2 mv 2 • 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 Me. V = 1. 02 Me. V (prahová reakce)

Tvorba elektron - pozitronových párů - II • Pravděpodobnost tvorby elektron pozitronových páru vztažená na 1 atom: * Úměrná Z 2 * 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 mc 2 • Pravděpodobnost Z E 2

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). (d. N/dx), kde d. N 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: • N 0/2 = N 0. 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=N 0 e- x

Geometrie širokého svazku absorpční vrstvy b detektor zdroj a N=N 0 Be- x

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