Презентация "Ядерная физика"

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

КАФЕДРА ФИЗИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебный Материал по Ядерной физике

Профессор ЗВОНОВ ВАЛЕРИЙ СТЕПАНОВИЧ

Радиационная Физика

2000

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

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.

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Содержание

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

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

КАФЕДРА ФИЗИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебный Материал по Ядерной физике

Радиационная Физика

1. Структура атома

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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
• 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
• Z электронов (легкие частицы с электрическим зарядом) Заряд электрона равен заряду протона, но отрицательный
• 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 -

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Определение: Изотоп

Атомная масса

The lecture assumes familiarity with basic physics concepts - the present slide allows the lecturer to review the basic atomic model and the nomenclature for isotope labeling.

Количество нейтронов

Атомный номер

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Эрнест Резерфорд (1871-1937)

Rutherfors is displayed here as the father of the model of the atom with a central nucleus. It can be mentioned that he supervised 11 students which all were rewarded the nobel prize. He got it himself too (in chemistry).

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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 , …

It is important to descibe the energy levels of the electrons in order to get the students to understand the excitation and deeaxitation processes

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

ИОНИЗАЦИЯ-ВОЗБУЖДЕНИЕ

Энергия

The image describes the process of ionization, which releases an electron from the atom and excitation which lifts an electron from an inner shell to one further out, both processes as a result of transferring energy to the atom. It may be important to discuss how energy can be transferred to the atom.

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

СНЯТИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Оже-электрон

Remeber to mention that the energy of the characteristic radiation is dependent on the electron energy levels (K, Lm M etc) and hence characteristic of the given atom.

характеристическое излучение

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

УРОВНИ ЭНЕРГИИ ЯДРА

ЭНЕРГИЯ

Возбуждение

Снятие буждения

Испускание частиц

0 МэВ

~ 8 МэВ

Гамма-фотон

Заполненные уровни

This image is perhaps too complicated for a certain audience. Nevertheless it can be used to explain the different processes involved in excitation and deexcitation processes in the nucleus in terms of energy.

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.

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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.

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

ВОЗБУЖДЕНИЕ ЯДРА

Энергия

• Энергия

частицы фотоны

An image which in simpel terms explain the excitation of a nucleus. Again a discussion of how energy can be transferred to the nucleus might be valuable.

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

СНЯТИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЯДРА

альфа-частицы бета-частицы

Гамма-излучение

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

ВНУТРЕННЯЯ КОНВЕРСИЯ

характеристическое излучение

конверсионный электрон

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Гамма-спектр ( характеристика ядра )

This image illustrates that the gamma ray energies are characteristic of a certain nucleus meaning that the nucleus can be identified by looking at the gamma ray spectrum. This spectrum is from an old Tc99m-generator. It may be important to draw the parallel to characteristic X-rays.

Энергия фотона (КэВ)

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Фотоны являются частью электромагнитного спектра

кэВ

кэВ

свет

ИК

УФ

Х и гамма-лучи

ИК : инфракрасный , УФ: ультрафиолетовый

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

КАФЕДРА ФИЗИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебный Материал по Ядерной физике

Радиационная Физика

2. Радиоактивный распад

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

СТАБИЛЬНЫЕ ЯДРА

дальнедействующие

электростатические силы

p

Линия стабильности

p

n

короткодействующие

ядерные силы

This image is used to explain why a nucleus is stable and why the number of neutrons is inceasing relative to the number of protons for heavy nuclei in order to outbalance the increasing long ranged electrostatic force.

Количество протонов ( Z )

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Количество нейтронов ( N )

Стабильные и нестабильные ядра

Слишком много нейтронов для стабильности

Слишком много протонов для стабильности

This image should be used to explain that instability of a nucleus can be reached either by an excess of protons or by an excess of neutrons. The image is an introduction to the radioactive decay

Количество протонов ( Z )

Часть 2: Радиационная Физика

p + +e - +  . Пример :H-3, C-14, I-131. Слишком много протонов приводит к   - распаду p + =n+ e + +  Примеры : O-16, F-18 или к электронному захвату (ЭЗ). p + + e - =n+  Примеры : I-125, Tl-201 Часть 2: Радиационная Физика " width="640"

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

Расщепление

Ядро делится на две части - продукты распада, и 3-4 нейтрона .

Например : Cf-252 ( спонтанный ), U-235 ( вынужденный )

 - распад

Ядро испускает  -частицы (He-4). Примеры : Ra-226, Rn-222

 - распад

Слишком много нейтронов приводит к   - распаду . n=p + +e - +  .

Пример :H-3, C-14, I-131.

Слишком много протонов приводит к   - распаду

p + =n+ e + +  Примеры : O-16, F-18

или к электронному захвату (ЭЗ). p + + e - =n+ 

Примеры : I-125, Tl-201

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

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

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

АКТИВНОСТЬ

Активность –

количество ядер, распадающихся в единицу времени

Единица активности

1 Бк ( Беккерель ) = 1 распад в секунду

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

1 Бк - маленькая величина

• В теле содержится 3000 Бк естественной активности

• 20 000 000-1000 000 000 Бк в процедурах ядерной медицины

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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

This is an insertion to help make sure all participants are at the same level.

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Анри Беккерель 1852-1908

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Мария Кюри 1867-1934

MariaCurie appears as a trigger to mention the old unit of activity

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Распад материнского и дочернего ядер

A

C

B

λ 2

λ 1

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Активность (относительные единицы)

Активность (относительные единицы)

Активность (относительные единицы)

Распад материнского и дочернего ядер

Материнская активность

Дочерняя активность

Материнская активность

Дочерняя активность

Вековое (или секулярное) равновесие

T B

Переходное равновесие

T A ≈ 10 T B

Периоды полураспада дочернего ядра

Периоды полураспада дочернего ядра

Материнская активность

Нет равновесия

T A ≈ 1/10 T B

Дочерняя активность

Периоды полураспада дочернего ядра

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

99 Mo- 99m Tc

87.6%

99m Tc

99 Mo

 140 кэВ

T½ = 6.02 часов

12.4%

ß - 442 кэВ

 739 кэВ

T½ = 2.75 дней

99 Tc

ß - 292 кэВ

T½ = 2*10 5 лет

99 Ru стабильное

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

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

Curie and Joliot were the first to produce an artificial radionuclide in 1934.

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

КАФЕДРА ФИЗИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебный Материал по Ядерной физике

Радиационная Физика

4. Взаимодействие ионизирующего излучения м веществом

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

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

Other types of radiation such as infrared, microwaves, radiowaves are non-ionizing. However, this does not mean that biological effects are absent

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

тяжелые

легкие

The image should be used to explain the difference between light and heavy charged particle interactions. It should be mentioned that even if the interaction is called collission it is a collission between electrical fields

Макроскопически Микроскопически

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Относительное число

зарегистрированных частиц

Относительное число

зарегистрированных частиц

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Разброс диапазона

Экстраполированный диапазон

Средний диапазон

Фон

Толщина поглотителя

Толщина поглотителя

Альфа-частицы

Бета-частицы

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Энергия (МэВ)

Средний пробег  - частиц

Средний диапазон (мг/см 2 )

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

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Тормозное излучение

Фотон

Bremsstrahlung is generated in the solution and in the shield of unsealed sources emitting high energy beta-particles. Examples are P32, Sr89 and Sm153

Электрон

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

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

Часть 2: Радиационная Физика

1 МэВ энергия электроны The intention of this slide is not to cover X-ray production extensively. The important issues for the lecturer to point out are mentioned on the next slide. мишень рентгеновские лучи рентгеновские лучи Часть 2: Радиационная Физика " width="640"

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Создание рентгеновского излучения

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

От низкой до средней энергии

(10-400 кэВ )

Высокая

1 МэВ

энергия

электроны

The intention of this slide is not to cover X-ray production extensively. The important issues for the lecturer to point out are mentioned on the next slide.

мишень

рентгеновские лучи

• рентгеновские лучи

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Рентгеновская трубка для создания рентгеновского излучения низкой и средней энергий

Электроны

Вольфрамовая мишень

Вакуумная трубка

Медный анод

Нагретый вольфрамовый катод накаливания

In both this and the next slide it is not important to go through all the details of the X-ray production - the important features to note are the target design and the angle of incidence.

Источник высокого напряжения

Рентгеновские лучи

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Линейный ускоритель для получения рентгеновских лучей высокой энергии

электроны

мишень

рентгеновские лучи

Часть 2: Радиационная Физика

98%) преобразуется в тепло – необходимо охлаждение мишени The lecturer can mention that at high energies the efficiency of X-ray production can exceed 50% - however, target cooling is still a major issue because of the high beam currents. Часть 2: Радиационная Физика " width="640"

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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

The lecturer can mention that at high energies the efficiency of X-ray production can exceed 50% - however, target cooling is still a major issue because of the high beam currents.

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Получающийся рентгеновский спектр

Интенсивность

Нефильтрованное излучение (в вакууме)

Характеристические рентгеновские лучи

Тормозное излучение

Спектр после фильтрации

The contents of this slide should follow from the previous discussions. The important points which should be mentioned by the lecturer are given in boxes. An alternative teaching approach would be to delete one or more of the boxes and ask the participants what is displayed.

Энергия фотона (кэВ)

Максимальная энергия электронов

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Взаимодействие фотонов с веществом

поглощение

рассеяние

прохождение

передача энергии

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

фотон

электрон

характеристическое излучение

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

Рассеянный фотон

фотон

электрон

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

РОЖДЕНИЕ ПАР

позитрон

фотон

электрон

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

АННИГИЛЯЦИЯ

 (511 кэВ )

 (511 кэВ )

 + + e -

 + диапазон 1-3 мм

(зависит от радионуклида )

Note that in this image the positron is coming from a radionuclide and is not a result of pair production. It is important to explain that the annihilation process is the same.

Радионуклид

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНА

Атомный номер (Z)

Рождение пар

Фотоэлектрический эффект

Эффект Комптона

This image should be used to demonstarte the importance of the compton process in the photon interaction with soft tissue (Z

Энергия фотона ( МэВ )

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

ПРОХОЖДЕНИЕ ФОТОНОВ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО

Количество фотонов

d: толщина поглотителя

 коэффициент поглощения

Толщина слоя

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

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

HVL : слой половинного поглощения

Толщина поглотителя , необходимая для поглощения 50 процентов излучения

( HVL – слой половинного поглощения) .

Энергия излучения

Свинец

Бетон

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

КАФЕДРА ФИЗИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебный Материал по Ядерной физике

Радиационная Физика

5. Радиационные величины и единицы измерения

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Высокая поглощенная энергия на единицу массы

Много ионизаций на единицу массы

This image should be used as an introduction to definition of absorbed dose. Starting with the information that the ionization process s the primary event which finally can result in a biological effect.

If we define a physical quantity that gives the absorbed energy per unit mass it could be used to give the relation to the risk of biological damage.

Повышенный риск биологических повреждений

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Поглощенная доза

Поглощенная энергия на единицу массы

1 Гр (грэй) = 1 Дж / кг

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Гарольд Грэй ( 1905-1965 )

Часть 2: Радиационная Физика

1 Гр 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 Часть 2: Радиационная Физика " width="640"

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

1 Гр - сравнительно большая величина

• Дозы лучевой терапии 1 Гр
• 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

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Множители и Приставки ( Доза )

Множитель Приставка Сокращения

1 - Зв

1/1000 мили ( м ) мЗв

1/1 000 000 микро ( мк ) мкЗв

Я БЫ ЗДЕСЬ ДАЛА ЕЩЕ ПРИСТАВКУ -КИЛО

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

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 .

The lecturer should point out that the x-axis shows d for ‘dimension’ or size. Similar figures have been drawn for mass as ordinate. In any case it is evident that the specific energy deposited in increasingly smaller volumes becomes less well defined. At small dimensions the line which defines absorbed dose macroscopically becomes blurred and a particular volume may have received a number of different energy quantities. At very small dimensions and low doses the question comes to either having received an event (or more than one) or not.

По материалам Zaider 2000

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Эквивалентная доза Эффективная доза

H e = w r * D

D: поглощенная доза (Gy),

w r : коэффициент качества излучения (1-20)

H eff =w T *H e

H e : эквивалентная доза (Sv),

w T : взвешивающие тканевые коэффициенты (0.05-0.20)

Единица : 1 Зв ( Зиверт )

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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)

Это старые коэффициенты, их надо заменить в соотв. С 103 публ. МКРЗ

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Эффективная доза (мЗв)

Рентгеновские лучи Ядерная медицина

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

10

1

0.1

The image is an example of how effective dose can be used to compare the patient exposure in diagnostic radiology and nuclear medicine

0.01

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Рольф Зиверт (1896-1966)

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Коллективные эффективные дозы в Швеции

Коллективная мощность дозы (чел ∙ Зв/год)

Количество смертельных раковых заболеваний в год

Источник

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

Data are from Sweden. As a comparison about 600 people will die annually due to road accidents.

Всего:

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы

КАФЕДРА ФИЗИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебный Материал по Ядерной физике

Радиационная Физика

6. Радиационные детекторы

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Детектор является основополагающей базой для практического использования ионизирующего излучения

Знание возможностей инструментов, а также их ограничений необходимо для правильной интерпретации измерений

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Материал детектора

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

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Принципы детектора

• Газонаполненные детекторы

• Другие детекторы

• пропорциональные счетчики счетчики Гейгера-Мюллера ( Г M)
• пропорциональные счетчики
• счетчики Гейгера-Мюллера ( Г M)

• Полупроводниковые детекторы Плёночные Термолюминесцентные детекторы ( ТЛД )
• Полупроводниковые детекторы
• Плёночные
• Термолюминесцентные детекторы ( ТЛД )

• Сцинтилляционные детекторы

• твердый жидкий
• твердый
• жидкий

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

ВИДЫ ДЕТЕКТОРОВ

1) Счетчики

Газонаполненные детекторы

Сцинтилляционные детекторы

2) Спектрометры

Сцинтилляционные детекторы

Твердотельные детекторы

3) Дозиметры

Газонаполненные детекторы

Твердотельные детекторы

Сцинтилляционные детекторы

Термолюминесцентные детекторы

Плёночные

• Плёночные

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Газонаполненные детекторы

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

Электрометр

+

1234

Высокое

напряжение

-

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

Отрицательный ион

Положительный ион

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ Использование в ядерной медицине

• Радиометр - дозкалибратор
• Инструменты мониторинга (радиометрического контроля)

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Общие свойства ионизационных камер

• Высокая точность
• Стабильность
• Относительно низкая чувствительность

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Диапазоны работы для газонаполненных детекторов

The figure illustrates that the number of ionpairs and hence the size of the signal generated in a gas filled detector is dependent on the applied voltage

Knoll

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Пропорциональный счетчик

There is a multiplication by secondary ionization events which is proportional to the voltage as well as the number of primary ionizations caused by a particle or photon.

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Пропорциональный счетчик Использование в ядерной медицине

• Инструменты мониторинга (радиометрического контроля)

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Свойства пропорциональных счетчиков

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

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Принцип действия счетчика Гейгера Мюллера

-

+

-

In a GM-tube a very high electrical filed is achieved near the thin central electrode. The primary ionization is causing an avalanche of secondary ionizations. In this process there will be emission of UV-photons with energy high enough to cause new ionizations. The result will be a total discharge of the detector. The result will be an electrical pulse that can be measured without any further amplification.

Knoll

Единственная случайная частица может быть причиной полной ионизации

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Счетчик Гейгера-Мюллера Использование в ядерной медицине

• Радиометр для контроля загрязнения
• Дозиметр (если калиброванный)

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Общие свойства счетчика Гейгера-Мюллера

• Высокая чувствительность
• Низкая точность

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Сцинтилляционные детекторы

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Сцинтилляционный детектор

Детектор

Фотокатод

Диноды

Анод

Усилитель

Анализатор амплитуды импульса

It is important to explain why there is a proportionality between the photon energy absorbed in the detector and the pulse height

Счетчик

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Анализатор амплитуды импульса

Амплитуда импульса (В)

Верхний

порог

Нижний

порог

Время

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

Сосчитаны

Несосчитаны

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Распределение амплитуд импульсов NaI(Tl)

Скорость счета

Пик полной энергии

Рассеянное излучение

Explain the origin of the scattered photons (detector and sample) and the completely absorbed photons.

Амплитуда импульса (энергия)

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Жидкостные сцинтилляционные детекторы

Образец, смешанный с сцинтилляционным раствором

детектор

детектор

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Сцинтилляционные детекторы Использование в ядерной медицине

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

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Другие детекторы

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

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

The explanation to the better energy resolution in a semiconductor detector is that the energy needed to create a ion-hole pair is much less than the energy to produce a light photon in the scintillation detector. The statistical fluctuation and hence the width of the full energy peak will be much less.

Knoll

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Полупроводниковые детекторы Применение в ядерной медицине

• Идентификация нуклидов
• Контроль чистоты радионуклидов

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Плёночные

Принцип: как у обычной фотопленки

Зёрна галида серебра, в результате облучения и проявления, превращаются в металлическое серебро

Применение в ядерной медицине: Индивидуальный дозиметр

Часть 2: Радиационная Физика

проблемы с воспроизводимостью Двумерный дозиметр Высокое пространственное разрешение Высокий атомный номер --- зависимость сигнала от качества излучения Radiographic film typically consists of a clear polyester base that is coated on one or both sides with a radiosensitive emulsion. The sensitive layer consists normally of silver halide (most commonly bromide) crystals (diameter 0.2 - 2m m) embedded in gelatin. The absorption of ionising radiation causes the following reaction (simplified): photon + Br -  Br + e - e - + Ag +  Ag. photon + Br -  Br + e - e - + Ag +  Ag. photon + Br -  Br + e - e - + Ag +  Ag. The elemental silver is black and produces the latent image. During the development of the film other silver ions are reduced in the presence of silver atoms. Therefore, if one (in practice few) silver ion is reduced in a silver bromide crystal, all silver in this crystal (or grain) will be reduced during development. The rest of the silver halide (in undeveloped grains) is then washed away from the film during fixation and only the areas of the film which were hit by radiation appear black. Advantages of film are its good spatial resolution and the fact that a whole two dimensional dose distribution is acquired in one measurement. The disadvantage is its poor reproducibility (which depends on radiation energy as well as the processing) and the non-linearity of its dose response. Часть 2: Радиационная Физика " width="640"

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Плёночные

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

Radiographic film typically consists of a clear polyester base that is coated on one or both sides with a radiosensitive emulsion. The sensitive layer consists normally of silver halide (most commonly bromide) crystals (diameter 0.2 - 2m m) embedded in gelatin. The absorption of ionising radiation causes the following reaction (simplified):

photon + Br -  Br + e -

e - + Ag +  Ag.

• photon + Br -  Br + e - e - + Ag +  Ag.
• photon + Br -  Br + e - e - + Ag +  Ag.

The elemental silver is black and produces the latent image. During the development of the film other silver ions are reduced in the presence of silver atoms. Therefore, if one (in practice few) silver ion is reduced in a silver bromide crystal, all silver in this crystal (or grain) will be reduced during development. The rest of the silver halide (in undeveloped grains) is then washed away from the film during fixation and only the areas of the film which were hit by radiation appear black.

Advantages of film are its good spatial resolution and the fact that a whole two dimensional dose distribution is acquired in one measurement. The disadvantage is its poor reproducibility (which depends on radiation energy as well as the processing) and the non-linearity of its dose response.

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Принцип термолюминесценции ТЛД

термолюминесцентный материал

фотоумножитель

Note that this is an animated image. In the first part the detector is irradiated and in the next part the signal is read by heating the detector.

испускаемый свет

нить накала

Часть 2: Радиационная Физика

93

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Упрощенная схема процесса ТЛД

Зона проводимости

Ионизирующее

излучение

Видимый свет

электронная ловушка

Валентная

зона

Thermoluminescence dosimeters (TLDs) are crystals that can store some of the energy deposited by ionising radiation in a retrievable form. The figure illustrates the principle of Thermo , ( one applies heat ) Luminescence ( and the crystal emits light) and Dosimetry ( of which the intensity is related to the dose of ionizing radiation absorbed by the crystal prior to heating " , ).

While the emitted light is proportional to the absorbed radiation the proportionality constant varies with radiation energy, total dose, TLD material and - most difficult to account for - thermal history of the crystals. As such, TLD is mostly used as a relative dosimetric technique in which the dose to be determined is compared to a similar known dose given to the same or a similar TL detector. TLDs have the advantages of small physical size and that no cables are required during irradiation. As such they are particularly well suited for measurements within solid phantoms and in vivo dosimetry. The chief disadvantages are the delay between irradiation and the readout process and the complexity of the whole TLD set-up.

Нагрев

Часть 2: Радиационная Физика

93

93

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

Термолюминесцентная дозиметрия ( ТЛД )

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

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

ТЛД

Применение в ядерной медицине

• индивидуальные дозиметры (тело, пальцы …)
• специальные измерения

Часть 2: Радиационная Физика

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Part 2. Radiation Physics

ТЛД

Недостатки :

Требует много времени

Не создает постоянной записи

Часть 2: Радиационная Физика

Part 2. Radiation Physics

Radiation Protection in Nuclear Medicine

Вопросы ?

Часть 2: Радиационная Физика