Bővített fokozatú SUGÁRVÉDELMI TANFOLYAM Sugárfizikai alapismeretek. A röntgen sugárzás

keletkezése és tulajdonságai.

Salik Ádám, sugárvédelmi szakértő

salik.adam@osski.hu, 30-349-9300

ORSZÁGOS SUGÁRBIOLÓGIAI ÉS SUGÁREGÉSZSÉGÜGYI KUTATÓ INTÉZET

Ionizáló sugárzások

Sugárzás típusa Sugárrészecske

RADIOAKTÍV SUGÁRZÁSOK

• Alfa (α) -sugárzás 42He++

• Béta (β) - sugárzás e-, e+

• Gammasugárzás (γ) foton

RÖNTGEN SUGÁRZÁS foton

NEUTRON SUGÁRZÁS neutron

SUGÁRFIZIKAI

• Az atom felépítése

• Röntgensugárzás

• Elektronhéj

• A sugárzás fogalma

Az atom felépítése

Elektronokból álló

ELEKTRONHÉJ

Protonokból és neutronokból álló

ATOMMAG

az atom mérete : ~ 10-10 m az atommag mérete : 10-15 – 10-14 m az atommag sűrűsége : 1017 kg/m3

RÖNTGENSUGÁRZÁS

• 1896 – Wilhelm C. Röntgen –

X-sugárzás észlelése kisülési csőben,

• 1912 – Laue – elektromágneses sugárzás,

• Broglie hullám-részecske kettőségi elmélete (az elekromágneses sugárzás bizonyos kölcsön-hatásokban hullámként, másokban részecskeként, ún. fotonként viselkedik).

A röntgendiagnosztika kezdete

Röntgen alapkészülék sémája

A röntgensugárzás előállítása

• Nagy sebességű elektronok valamilyen anyagba való ütközésük (anyagban történő lefékeződésük)során kölcsönhatásba kerülnek az anyag atomjaival, és ennek a folyamatnak következtében, ún. röntgensugárzás keletkezik.

Röntgencső

• az elektronok a katód és anód között létesített feszültség (10-400 kV) által felgyorsulnak és az anódban ütközve lelassulnak,

• a röntgensugarakat a lefékeződő elektronok váltják ki.

Sugárzás energiája: csőfeszültség (kV)

Sugárzás intenzitása:csőáram (mA)

Röntgensugárzás előállítása

röntgencső kialakítása – kollimátor-mezőméret

A röntgensugárzás tulajdonságai

• előállításához külső (elektromos) energiára van szükség, • kizárólag addig sugároz, ameddig a röntgencsövön áram folyik át, • az elektronhéjban keletkezik, • a keletkezési mechanizmus szempontjából két fajtáját különböztetjük

meg: fékezési és karakterisztikus röntgensugárzást, • az elektromágneses sugárzások közé tartozik, (minta a gamma sugárzás) • sem elektromos, sem mágneses térrel nem téríthető el, • fénysebességgel terjed egyenes vonalban, (minden esetben)

N N e d

0

d: abszorbens vastagsága

: gyengítési együttható HVL: felezőréteg

TVL: tizedelő réteg

Röntgensugárzás gyengülése abszorbensben

A röntgensugárzás az anyagban (abszorbeáló) exponenciálisan gyengül.

elnyelődés

szóródás

áthatolás

Energia átadás

Kölcsönhatás az anyaggal

Kölcsönhatás eredménye: gerjesztés, ionizáció

Detektor

GERJESZTÉS- IONIZÁCIÓ a sugárzás-anyag kölcsönhatás során a sugárzás energiája elsősorban az elektronhéj gerjesztésére, ionizációjára fordítódik

Sugár-részecske

e- kiszakad

Ionizáció

e- külső pályára kerül

Gerjesztés

Energia átadás

IONIZÁCIÓ: az atomból kiszakad egy elektron Biológiailag az ionizáló képesség döntő jelentőségű Sugárvédelmi mérésekre leggyakrabban alkalmazott hatás

A röntgen technikai beállítások hatása I.

A diagnosztikai képalkotás szempontjából a fotoelektromos abszorpciónak és a Compton-szóródásnak van szerepe (a vizsgálati beállításokkal módosítani lehet)

10 cm lágyrész esetén

• 50 kV csőfeszültséget alkalmazva a röntgenfotonok 99,27%-a elnyelődik és csupán az elsődleges sugárnyaláb 0,73%-a halad át a szöveten és érkezik a receptorfelülethez (detektor).

• 130 kV csőfeszültséget alkalmazva az elsődleges sugár 94,4%-a nyelődik el és 5,6% halad át a szöveten.

egy 5 cm vastag lágyrész vizsgálata esetén

• 50 kV-nál 91,45% elnyelődik és 8,55% halad át.

• 130 kV esetén ez az arány 76,34% és 23,66%.

A technikai beállítások hatása II.

Ha a kimenő dózis szintjét fenn akarjuk tartani, akkor a csőfeszültség emelése esetén a mAs értéket, azaz a fotonszámot csökkenteni kell.

• ha a kVp-t emeljük, nőni fog a szóródás és csökkenni a fotonok abszorpciója.

Az emberi testben jó néhány diagnosztikai röntgenvizsgálat alkalmával a Compton-szóródás a jellemző kölcsönhatási forma.

Magasabb fotonenergiáknál tehát a Compton-szóródás lesz a domináns kölcsönhatási forma, a diagnosztikai képalkotásban a vizsgálatok jelentős része történik a fentinél magasabb fotonenergia tartományban.

• nagy az áthatolóképessége,

• az áthatolóképessége befolyásolható

• (csőfeszültség, csőáram, szűrés),

• a röntgensugárzás ionizál, azaz az eredetileg semleges atomokból,

molekulákból töltéssel rendelkezőt csinál (ion párok keletkeznek),

• hatására a fotóanyagok megfeketednek,

• bizonyos anyagokat fénykibocsátásra késztet.

A röntgensugárzás tulajdonságai

Radioaktivítás

Az atom

A: tömegszám:

protonok és neutronok száma

Z: rendszám: protonok száma

X A

Z

Pl.:

U 238

92 78

131

53I

Az atommag

• Az elem kémiai tulajdonságai

a rendszámtól (protonok számától) függenek.

• Az egyes kémiai elemek viselkedését,

a periódusos rendszerben elfoglalt helyét az szabja meg, hogy atommagjaikban hány proton van (és ennek megfelelően az elektronhéj szerkezetben hány elektron van).

Izotópok • Egy ugyanazon kémiai elem (meghatározott Z proton számmal) atommagjai

különbözhetnek, más neutronszámmal (N), tehát tömegszámmal (A) rendelkezhetnek.

• Ezeket az atomokat izotópoknak nevezzük.

• Izotópok: azonos rendszámú és eltérő tömegszámú

atommagok

• Az izotópok kémiai tulajdonságaik megegyeznek, de lényeges különbségek lehetnek közöttük magszerkezet, magstabilitás tekintetében.

Pl.: A természetes klórgáz (rendszáma 17) két izotóp keverékéből áll:

1735Cl (75%), 17

37Cl (25%).

Egy kémiai elem különböző tömegszámú atomjait az adott elem izotópjainak hívjuk;

Az izotópok kémiailag és fizikailag lényegében azonos módon viselkednek, tulajdonságaik mindig az adott elemre jellemzőek;

A különbség az atommag stabilitásában van.

• a stabil izotópok atommagja nem sugárzó,

• az instabil (radioaktív) izotópok atommagja idővel átalakul, sugárzást bocsát ki.

Izotópfogalom

Hidrogén izotópjai

• Izotópok = rendszám azonos, tömegszám különböző;

• kémiailag és fizikailag lényegében azonos módon viselkednek, tulajdonságaik mindig az adott

elemre jellemzőek.

• a különbség az atommag stabilitásában van.

• a stabil izotópok atommagja nem sugárzó.

• az instabil (radioaktív) izotópok atommagja idővel átalakul, a magból

sugárzás lép ki.

Izotópok

• Stabil magok (264): 612C, 7

14N, 816O

• Természetes radionuklidok: • elsődleges természetes radionuklidok:

92238U, 19

40K, 3787Rb

• másodlagos természetes radionuklidok:

88226Ra, 90

234Th, 86222Rn

• indukált természetes radionuklidok:

614C, 1

3H

• Mesterséges radionuklidok (~2000):

2760Co, 55

137Cs, 1124Na

Az elektronhéj szerkezete

Radioaktivitás

H. Becquerel 1895:

• uránsók külső megvilágítás nélkül is bocsátanak ki fényérzékeny anyagokra hatást gyakorló ismeretlen sugárzást;

• Pierre és Marie Curie: 8 tonna uránszurokércből 0,1 gramm tiszta radioaktív izotópot vonnak ki.

• A radioaktivitás alapjelensége: • spontán,

• oka: a mag állapota,

• nem befolyásolható jelenség,

• az átalakulás és a kibocsátott sugárzás nuklidra jellemző;

Alfa-sugárzás

• Az alfa-sugárzás nehéz, töltött részecskékből, „hélium

atommagokból” álló sugárzás.

• Hatótávolságuk igen rövid, akár egy vékony papírlap, vagy az

emberi bőr is könnyen elnyeli.

• Levegőben a hatótávolsága 2 – 10 cm.

Béta-sugárzás

•Nagy sebességű elektronokból álló sugárzás.

•A béta-részecskék lefékezhetők és elnyelethetők.

n p

p n

Gamma-sugárzás

• Az α- és β-bomlás során a keletkező új nuklid (leányelem) energiafelesleggel rendelkezik, ún. gerjesztett állapotú.

• Az energiafelesleget többnyire úgy adja le, hogy elektromágneses sugárzást bocsát ki, amelynek energiája a két energianívó különbségének felel meg. Ezt az elektromágneses sugárzást gamma-sugárzásnak nevezzük.

• A γ-sugárzás "energia csomagjait" fotonoknak nevezzük.

A radioaktiv sugárzások áthatoló képessége

Az aktivitás és mértékegysége

• Aktivitás (jele: A) - időegységre eső magbomlások száma

• Mértékegysége: becquerel, jele Bq

• 1 Bq nagyon kicsiny radioaktivitás, a gyakorlatban többszöröseit használjuk:

kBq, MBq, GBq, TBq Aktivitás: az időben

exponenciálisan csökken

T1/2 → felezési idő

Néhány példa a gyakorlati alkalmazások során előforduló aktivitások nagyságrendjéről

• a lakások levegője átlagosan 20 Bq/m3 természetes radioaktivitást tartalmaz,

• az emberi test kb. 60 Bq/kg 40K radioizotópot tartalmaz,

• a diagnosztikai vizsgálat céljából adott 99mTc aktivitása

100-1000 MBq,

• a pajzsmirigyrák terápiájára használt 131I aktivitása megközelítőleg 3 GBq (Giga) (3x109 Bq),

• a csernobili baleset során körülbelül 40 PBq (Peta) (40x1015 Bq) aktivitású radioaktív cézium került a környezetbe.

Radionuklid T1/2 Jellemző sugárzás

H-3 12,3 év béta

C-14 5730 év béta

Co-60 5,3 év béta, gamma

Sr-90 29,1 év béta

I-131 8,04 nap béta, gamma

Cs-137 30 év béta, gamma

Rn-222 3,8 nap alfa, gamma

Ra-226 1600 év alfa, gamma

U-235 7,1x108 év alfa, gamma

U-238 4,47x109 év alfa, gamma

Pu-239 24065 év alfa, gamma

Néhány fontosabb radioizotóp felezési ideje és bomlás típusa

A radioaktív anyagok felhasználása

RADIOAKTÍV ANYAG

jogi értelemben: az anyag aktivitása és aktivitás koncentrációja mentességi szint fölötti (124/1997. mentességi Korm.rendelet)

Felhasználása

ZÁRT SUGÁRFORRÁSKÉNT

Zártság: a kialakítás a felhasználni kívánt sugárzást átengedi, de a radioaktív anyagot nem

NYITOTT RADIOAKTÍV KÉSZÍTMÉNYKÉNT

A felhasználás csak izotóplaboratóriumban történhet

Zárt sugárforrások