Презентация "Радиационная физика" – проект, доклад

Часть 2

Радиационная Физика

МАГАТЭ Учебный Материал по Радиационной Защите в Ядерной Медицине

Часть 2: Радиационная Физика

ЦЕЛЬ

Знакомство с основами радиационной физики, дозиметрическими величинами и единицами, необходимых для выполнения расчетов, а также с различными видами детекторов излучения, их характеристиками, принципами работы и ограничениями.

Содержание

Структура атома Радиоактивный распад Производство радионуклидов Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом Радиационные величины и единицы Детекторы излучения

Примечание: радиационные единицы и величины находятся в фазе выработки консенсуса между МКРЕ и МАГАТЭ. Возможны изменения которые необходимо будет включить в этот документ.

Часть 2. Радиационная Физика

2.1. Структура атома

АТОМ

Строение атома протоны и нейтроны = нуклоны Z протонов с положительным электрическим зарядом (1,6·10-19 Кл) нейтроны без заряда (нейтральные) число нуклонов = массовое число A Внеядерная структура Z электронов (легкие частицы с электрическим зарядом) Заряд электрона равен заряду протона, но отрицательный

Символ Масса Энергия Заряд Частицы (кг) (МэВ) ---------------------------------------------------------- Протон p 1.672*10-27 938.2 + Нейтрон n 1.675*10 -27 939.2 0 Электрон e 0.911*10 -30 0.511 -

Определение: Изотоп

Атомный номер

Количество нейтронов

Атомная масса

Эрнест Резерфорд (1871-1937)

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОНА

Электроны могут иметь только дискретные энергетические уровни Чтобы удалить электрон из своей оболочки надо приложить энергию, E,которая больше или равна энергия связи электрона Дискретные оболочки вокруг ядра: K, L, M, … K-оболочка имеет максимальную энергию (т.е., наиболее устойчивая) Энергия связи уменьшается при увеличении Z Максимальное число электронов в каждой оболочке: 2 в K, 8 в L-оболочке, …

ИОНИЗАЦИЯ-ВОЗБУЖДЕНИЕ

Энергия

характеристическое излучение

Оже-электрон

СНЯТИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

УРОВНИ ЭНЕРГИИ ЯДРА

Нуклоны могут занимать различные энергетические уровни и ядро может находиться либо в основном состоянии, либо в возбужденном состоянии. Возбужденное состояние может быть достигнуто путем передачи дополнительной энергии ядру. При снятии возбуждения, ядро излучает избыток энергии испуская частицы или электромагнитное излучение. В этом случае электромагнитное излучение называется гамма-излучением. Энергия гамма-излучения - это разница энергий между различными энергетическими уровнями ядра.

Заполненные уровни

~8 МэВ 0 МэВ ЭНЕРГИЯ

Испускание частиц

Гамма-фотон Снятие буждения Возбуждение

ИЗОМЕРНЫЙ ПЕРЕХОД

Обычно возбужденное ядро переходит в основное состояние в течение пикосекунд. В некоторых случаях, однако, среднее время пребывания ядра в возбужденном состоянии вполне измеримо. Снятие возбуждения такого состояния ядра называется изомерным переходом (ИП). Это свойство ядра отмечается добавлением буквы m в знаке нуклида: технеций-99m, Тс-99m или 99mТс.

частицы фотоны ВОЗБУЖДЕНИЕ ЯДРА

альфа-частицы бета-частицы

Гамма-излучение

СНЯТИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЯДРА

ВНУТРЕННЯЯ КОНВЕРСИЯ

конверсионный электрон

Гамма-спектр (характеристика ядра)

Импульс на канал

Энергия фотона (КэВ)

ИК: инфракрасный, УФ: ультрафиолетовый

Фотоны являются частью электромагнитного спектра

ИК свет УФ Х и гамма-лучи кэВ

2.2. Радиоактивный распад

СТАБИЛЬНЫЕ ЯДРА

дальнедействующие электростатические силы

короткодействующие ядерные силы

p n

Линия стабильности

Количество нетронов (N)

Количество протонов (Z)

Стабильные и нестабильные ядра

Слишком много нейтронов для стабильности

Слишком много протонов для стабильности

Количество нейтронов (N)

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

Расщепление Ядро делится на две части - продукты распада, и 3-4 нейтрона. Например: Cf-252 (спонтанный), U-235 (вынужденный) a-распад Ядро испускает a-частицы (He-4). Примеры: Ra-226, Rn-222 b-распад Слишком много нейтронов приводит к b- -распаду. n=>p++e-+n. Пример:H-3, C-14, I-131. Слишком много протонов приводит к b+ -распаду p+=>n+ e++n Примеры: O-16, F-18 или к электронному захвату (ЭЗ). p+ + e-=>n+n Примеры: I-125, Tl-201

Никогда неизвестно в какое время определенное радиоактивное ядро распадется. Однако можно определить вероятность того, что оно распадется в определенное время. В образце содержащим N ядер, число распадов в единицу времени:

Активность Время

Активность – количество ядер, распадающихся в единицу времени Единица активности 1 Бк (Беккерель) = 1 распад в секунду

АКТИВНОСТЬ

1 Бк - маленькая величина

В теле содержится 3000 Бк естественной активности 20 000 000-1000 000 000 Бк в процедурах ядерной медицины

Множители и приставки (Активность)

Множители Приставки Сокращения 1 - Бк 1 000 000 Мега- (M) МБк 1 000 000 000 Гига- (G) ГБк 1 000 000 000 000 Тера- (T) ТБк

Анри Беккерель 1852-1908

Мария Кюри 1867-1934

Распад материнского и дочернего ядер

A C B λ1 λ2

Вековое (или секулярное) равновесие TB

Переходное равновесие TA ≈ 10 TB

Нет равновесия TA ≈ 1/10 TB

Дочерняя активность

Материнская активность

Периоды полураспада дочернего ядра

Активность (относительные единицы)

99Mo-99mTc 99Mo 87.6% 99mTc

 140 кэВ T½ = 6.02 часов

99Tc

ß- 292 кэВ T½ = 2*105 лет

99Ru стабильное 12.4%

ß- 442 кэВ  739 кэВ T½ = 2.75 дней

Ире́н Кюри́ (1897-1956) и Фредерик Жолио (1900-1958)

2.4. Взаимодействие ионизирующего излучения м веществом

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Заряженные частицы альфа-частицы бета-частицы протоны Незаряженные частицы фотоны (гамма- и рентгеновское излучения) нейтроны Каждая отдельная частица может привести к ионизации, прямо или косвенно

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

тяжелые легкие

Макроскопически Микроскопически

Бета-частицы Альфа-частицы

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Экстраполированный диапазон

Фон Средний диапазон

Относительное число зарегистрированных частиц

Толщина поглотителя

Разброс диапазона

Средний пробег b-частиц

Радионуклид Макс энергия Пробег (см) в (кэВ) воздухе воде алюминии ------------------------------------------------------------------------------------------ H-3 18.6 4.6 0.0005 0.00022 C-14 156 22.4 0.029 0.011 P-32 1700 610 0.79 0.29

Средний диапазон (мг/см2)

Энергия (МэВ)

Тормозное излучение

Фотон Электрон

Получение тормозного излучения

Чем выше атомный номер материала мишени, на которую падают электроны, тем выше интенсивность рентгеновских лучей Чем выше энергия падающего электрона, тем больше вероятность возникновения рентгеновского излучения При любой энергии электрона, вероятность генерации рентгеновского излучения уменьшается с увеличением энергии рентгеновского излучения

Создание рентгеновского излучения

Электроны с высокой энергией попадают в (металлическую) мишень, где часть их энергии преобразуется в излучение

мишень электроны

рентгеновские лучи

От низкой до средней энергии (10-400кэВ)

Высокая > 1МэВ энергия

Рентгеновская трубка для создания рентгеновского излучения низкой и средней энергий

Электроны Медный анод

Вольфрамовая мишень

Нагретый вольфрамовый катод накаливания

Вакуумная трубка

Источник высокого напряжения

Рентгеновские лучи

Линейный ускоритель для получения рентгеновских лучей высокой энергии

Проблемы с получением рентгеновского излучения

Угловое распределение: фотоны рентгеновского излучения высокой энергии в основном направлены вперед, в то время как фотоны низкой энергии в основном испускаются перпендикулярно пучку падающих на мишень электронов Эффективность получения: в общем, чем выше энергия, тем выше эффективность получения рентгеновского излучения. Это означает, что при низких энергиях, большая часть энергии электронов (>98%) преобразуется в тепло – необходимо охлаждение мишени

Получающийся рентгеновский спектр

Характеристические рентгеновские лучи

Спектр после фильтрации

Максимальная энергия электронов

Интенсивность

Нефильтрованное излучение (в вакууме)

Энергия фотона (кэВ)

поглощение рассеяние прохождение передача энергии

Взаимодействие фотонов с веществом

фотон электрон

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Рассеянный фотон ЭФФЕКТ КОМПТОНА

РОЖДЕНИЕ ПАР позитрон

АННИГИЛЯЦИЯ + + e- (511 кэВ)

+ диапазон 1-3 мм (зависит от радионуклида )

Радионуклид

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНА

Энергия фотона (МэВ)

Атомный номер (Z)

Фотоэлектрический эффект

Эффект Комптона Рождение пар

d: толщина поглотителя m: коэффициент поглощения

HVL: слой половинного поглощения TVL: слой 10-кратного поглощения

ПРОХОЖДЕНИЕ ФОТОНОВ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО

Количество фотонов

Толщина слоя

HVL: слой половинного поглощения

Толщина поглотителя , необходимая для поглощения 50 процентов излучения (HVL – слой половинного поглощения).

Энергия излучения

Бетон Свинец

2.5. Радиационные величины и единицы измерения

Высокая поглощенная энергия на единицу массы

Много ионизаций на единицу массы

Повышенный риск биологических повреждений

ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Поглощенная доза

Поглощенная энергия на единицу массы 1 Гр (грэй) = 1 Дж / кг

Гарольд Грэй (1905-1965)

1 Гр - сравнительно большая величина

Дозы лучевой терапии > 1Гр Доза в диагностической процедуре ядерной медицины обычно 0,05-0.001Гр Годовая доза от естественных источников излучения (земных, космических, из-за внутренней радиоактивности, радона, ...) около 0,002-0,004 Гр

Множители и Приставки (Доза)

Множитель Приставка Сокращения 1 - Зв 1/1000 мили (м) мЗв 1/1 000 000 микро (мк) мкЗв

Предостережение: Передача энергии веществу – это случайный процесс и определение дозы неприменимо для малых объемов (например, для одной клетки). Дисциплина «микро- дозиметрия» занимается решением этого вопроса.

По материалам Zaider 2000

He = wr * D D: поглощенная доза (Gy), wr : коэффициент качества излучения(1-20) Heff=wT*He He: эквивалентная доза (Sv), wT: взвешивающие тканевые коэффициенты (0.05-0.20)

Единица: 1 Зв (Зиверт)

Эквивалентная доза Эффективная доза

Эффективная доза

Ткань или орган взвешивающие коэффициенты Гонады 0.20 Костный мозг (красный) 0.12 Толстая кишка 0.12 Легкое 0.12 Желудок 0.12 Мочевой пузырь 0.05 Молочная железа 0.05 Печень 0.05 Пищевод 0.05 Щитовидная железа 0.01 Поверхность кости 0.01 Остальные органы 0.05 (надпочечники, почки, мышцы, верхний отдел толстой кишки, тонкая кишка, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка, головной мозг)

Эффективная доза (мЗв)

0.01 0.1 1 10

ангиокардиография щитовидная жел. I-131 КТ таза миокард Tl-201 толстая кишка КТ брюшной полости церебральный Tc-99m кровоток урография щитовидная жел. I-123 поясничный отдел кость Tc-99m позвоночника щитовидная жел. Tc-99m печень Tc-99m легкое Tc-99m грудная клетка ренография I-131 конечности объем крови I-125 зубы почечный клиренс Cr-51

Рентгеновские лучи Ядерная медицина

Рольф Зиверт (1896-1966)

КОЛЛЕКТИВНАЯ ДОЗА

Суммарная эквивалентная доза или эффективная доза излучения, полученная определенной группой людей, например, всеми пациентами в отделении ядерной медицины, всеми сотрудниками отделения, всем населением страны и т.д. Единица измерения: 1 человеко-Зв

Коллективные эффективные дозы в Швеции

Источник

Коллективная мощность дозы (чел∙Зв/год)

Количество смертельных раковых заболеваний в год

Природный космическое излучение внешнее внутреннее

Помещения гамма-излучение радон

Технический ядерная энергетика испытания ядерного оружия другие

Медицинский диагностическая радиология стоматологическая радиология ядерная медицина

Профессиональный диагностическая радиология ядерная медицина радиотерапия стоматологическая радиология индустрия, исследования ядерная энергетика шахты

Всего:

2.6. Радиационные детекторы

Детектор является основополагающей базой для практического использования ионизирующего излучения Знание возможностей инструментов, а также их ограничений необходимо для правильной интерпретации измерений

Любой материал, в котором ионизирующее излучение создает изменения, которые могут быть измерены, может быть использован в качестве детектора ионизирующего излучения. Изменение цвета Химические изменения Испускание видимого света Электрический заряд ….. ….. Активные детекторы: непосредственное измерение изменений. Пассивные детекторы: обработка перед считыванием

Материал детектора

Принципы детектора

Газонаполненные детекторы пропорциональные счетчики счетчики Гейгера-Мюллера (ГM) Сцинтилляционные детекторы твердый жидкий

Другие детекторы Полупроводниковые детекторы Плёночные Термолюминесцентные детекторы (ТЛД)

1) Счетчики Газонаполненные детекторы Сцинтилляционные детекторы 2) Спектрометры Сцинтилляционные детекторы Твердотельные детекторы 3) Дозиметры Газонаполненные детекторы Твердотельные детекторы Сцинтилляционные детекторы Термолюминесцентные детекторы Плёночные

ВИДЫ ДЕТЕКТОРОВ

Газонаполненные детекторы

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

Высокое напряжение

+ -

Отрицательный ион Положительный ион

1234 Электрометр

Сигнал пропорционален количеству ионизаций в единицу времени (активность, мощность излучения)

Радиометр - дозкалибратор Инструменты мониторинга (радиометрического контроля)

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ Использование в ядерной медицине

Общие свойства ионизационных камер

Высокая точность Стабильность Относительно низкая чувствительность

Диапазоны работы для газонаполненных детекторов

Knoll

Пропорциональный счетчик

Инструменты мониторинга (радиометрического контроля)

Пропорциональный счетчик Использование в ядерной медицине

Свойства пропорциональных счетчиков

Чувствительность немного выше, чем у ионизационной камеры Используется для регистрации частиц и фотонов низкой энергии

Единственная случайная частица может быть причиной полной ионизации

Принцип действия счетчика Гейгера Мюллера

Радиометр для контроля загрязнения Дозиметр (если калиброванный)

Счетчик Гейгера-Мюллера Использование в ядерной медицине

Высокая чувствительность Низкая точность

Общие свойства счетчика Гейгера-Мюллера

Сцинтилляционные детекторы

Усилитель

Анализатор амплитуды импульса

Счетчик

Сцинтилляционный детектор

Детектор Фотокатод Диноды Анод

Верхний порог Нижний порог

Амплитуда импульса (В)

Анализатор амплитуды импульса позволяет подсчитывать только импульсы определенной амплитуды (энергии).

Сосчитаны Несосчитаны

Распределение амплитуд импульсов NaI(Tl)

Скорость счета

Амплитуда импульса (энергия)

Рассеянное излучение

Пик полной энергии

детектор

Образец, смешанный с сцинтилляционным раствором

Жидкостные сцинтилляционные детекторы

Счетчик образцов Одно- и много- пробные системы Гамма-камеры Инструменты контроля

Сцинтилляционные детекторы Использование в ядерной медицине

Другие детекторы

Полупроводниковые детекторы в качестве спектрометра

Детекторы, использующие кристаллический германий или Ge(Li) кристалл Принцип: электронно-дырочные пары (аналогично парам ион - электрон в газонаполненных детекторах) Отличное энергетическое разрешение

Сравнение спектра от Na(I) сцинтилляционного детектора и Ge (Li) полупроводникового детектора

Идентификация нуклидов Контроль чистоты радионуклидов

Полупроводниковые детекторы Применение в ядерной медицине

Принцип: как у обычной фотопленки Зёрна галида серебра, в результате облучения и проявления, превращаются в металлическое серебро Применение в ядерной медицине: Индивидуальный дозиметр

Плёночные

Требуется обработка ---> проблемы с воспроизводимостью Двумерный дозиметр Высокое пространственное разрешение Высокий атомный номер ---> зависимость сигнала от качества излучения

Принцип термолюминесценции ТЛД

термолюминесцентный материал

Упрощенная схема процесса ТЛД

Ионизирующее излучение

Нагрев

электронная ловушка

Зона проводимости

Видимый свет Валентная зона

Термолюминесцентная дозиметрия (ТЛД)

Мелкие кристаллы Эквивалентны тканям организма Пассивный дозиметр – кабели не требуются Широкий дозиметрический диапазон (от мкГр to 100 Гр) Много различных применений

Применение в ядерной медицине индивидуальные дозиметры (тело, пальцы…) специальные измерения

ТЛД

Недостатки: Требует много времени Не создает постоянной записи

Вопросы?

ОБСУЖДЕНИЕ

В определенный момент времени Mo / Тс генератор содержит 15 ГБк Мо-99. Какую концентрацию активности Тс-99м мы получим через 15 часов, если объем элюации 3 мл? Предположить эффективность элюации 75%.

Лечение проводится с помощью йода-131. Какие типы взаимодействия испускаемого излучения с мягкими тканями человека доминирут?

Лаборатория выполняет работу с Н-3. Обсудите подходящий тип детектора для обнаружения загрязнений оборудования и рабочих мест.

Где получить дополнительную информацию?

Дальнейшее чтение WHO. Manual on Radiation Protection in Hospital and General Practice. Volume 1 Basic Requirements (Всемирная организация здравоохранения. Руководство по радиационной защите в медучреждениях и в общей практике. Том 1. Основные требования) Sorensen JA & Phelps ME. Physics in Nuclear Medicine. Grune & Stratton, 1987