Часть 2

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.

Часть 2: Радиационная Физика
Содержание
Структура атома
Радиоактивный распад
Производство радионуклидов
Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
Радиационные величины и единицыРадиационные 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
МАГАТЭ Учебный Материал по Радиационной Защите в Ядерной Медицине

Часть 2: Радиационная Физика
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 -

Часть 2: Радиационная Физика
Определение: Изотоп
Атомный номер
Количество нейтронов
Атомная масса

Эрнест Резерфорд (1871-1937)
Часть 2: Радиационная Физика

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, …
Часть 2: Радиационная Физика

ИОНИЗАЦИЯ-ВОЗБУЖДЕНИЕ
Энергия
Часть 2: Радиационная Физика

характеристическое
излучение
Оже-электрон
СНЯТИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Часть 2: Радиационная Физика

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
Часть 2: Радиационная Физика

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

Энергия
частицы
фотоны
ВОЗБУЖДЕНИЕ ЯДРА
Часть 2: Радиационная Физика

альфа-частицы
бета-частицы
Гамма-излучение
СНЯТИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЯДРА
Часть 2: Радиационная Физика

ВНУТРЕННЯЯ КОНВЕРСИЯ
характеристическое
излучение
конверсионный электрон
Часть 2: Радиационная Физика

Гамма-спектр
(характеристика ядра)
Часть 2: Радиационная Физика
Импульс на канал
Энергия фотона (КэВ)

ИК: инфракрасный, УФ: ультрафиолетовый
Фотоны являются частью электромагнитного спектра
Часть 2: Радиационная Физика
ИК
свет
УФ
Х и гамма-лучи
кэВ
кэВ

Часть 2. Радиационная Физика
2.2. Радиоактивный распад
МАГАТЭ Учебный Материал по Радиационной Защите в Ядерной Медицине

СТАБИЛЬНЫЕ ЯДРА
дальнедействующие
электростатические
силы
короткодействующие
ядерные силы
p
p
n
Линия стабильности
Часть 2: Радиационная Физика
Количество нетронов (N)
Количество протонов (Z)

Стабильные и нестабильные ядра
Слишком много нейтронов для стабильности
Слишком много протонов для стабильности
Часть 2: Радиационная Физика
Количество протонов (Z)
Количество нейтронов (N)

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
Расщепление
Ядро делится на две части - продукты распада, и 3-4 нейтрона.
Например: Cf-252 (спонтанный), U-235 (вынужденный)
α-распад
Ядро испускает α-частицы (He-4). Примеры: Ra-226, Rn-222
β-распад
Слишком много нейтронов приводит к β− -распаду. n=>p++e-+ν.
Пример:H-3, C-14, I-131.
Слишком много протонов приводит к β+ -распаду
p+=>n+ e++ν
Примеры: O-16, F-18
или к электронному захвату (ЭЗ).
p+ + e-=>n+ν
Примеры: I-125, Tl-201
Часть 2: Радиационная Физика

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:
РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
Часть 2: Радиационная Физика
Активность
Время

Активность –
количество ядер, распадающихся в единицу времени
Единица активности
1 Бк (Беккерель) = 1 распад в секунду
АКТИВНОСТЬ
Часть 2: Радиационная Физика

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

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
Часть 2: Радиационная Физика

Анри Беккерель 1852-1908
Часть 2: Радиационная Физика

Мария Кюри 1867-1934
Часть 2: Радиационная Физика

Распад материнского и дочернего ядер
A
C
B
λ1
λ2
Часть 2: Радиационная Физика

Распад материнского и дочернего ядер
Вековое (или секулярное) равновесие
TB<
Переходное равновесие
TA ≈ 10 TB
Нет равновесия
TA ≈ 1/10 TB
Часть 2: Радиационная Физика
Дочерняя активность
Дочерняя активность
Дочерняя активность
Материнская активность
Материнская активность
Материнская активность
Периоды полураспада дочернего ядра
Периоды полураспада дочернего ядра
Периоды полураспада дочернего ядра
Активность (относительные единицы)
Активность (относительные единицы)
Активность (относительные единицы)

99Mo-99mTc
99Mo
87.6%
99mTc
γ 140 кэВ
T½ = 6.02 часов
99Tc
ß- 292 кэВ
T½ = 2*105 лет
99Ru стабильное
12.4%
ß- 442 кэВ
γ 739 кэВ
T½ = 2.75 дней
Часть 2: Радиационная Физика

Ире́н Кюри́ (1897-1956)
и
Фредерик Жолио (1900-1958)
Часть 2: Радиационная Физика

Часть 2. Радиационная Физика
2.4. Взаимодействие ионизирующего излучения м веществом
МАГАТЭ Учебный Материал по Радиационной Защите в Ядерной Медицине

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
Часть 2: Радиационная Физика

Взаимодействие заряженных частиц с веществом
тяжелые
легкие
Макроскопически Микроскопически
Часть 2: Радиационная Физика

Бета-частицы
Альфа-частицы
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Часть 2: Радиационная Физика
Экстраполированный диапазон
Фон
Средний диапазон
Относительное число
зарегистрированных частиц
Толщина поглотителя
Толщина поглотителя
Разброс диапазона
Относительное число
зарегистрированных частиц

Средний пробег β-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
Часть 2: Радиационная Физика
Средний диапазон (мг/см2)
Энергия (МэВ)

Тормозное излучение
Фотон
Электрон
Часть 2: Радиационная Физика

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

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
Часть 2: Радиационная Физика

Рентгеновская трубка для создания рентгеновского излучения низкой и средней энергий
Часть 2: Радиационная Физика
Электроны
Медный анод
Вольфрамовая мишень
Нагретый вольфрамовый катод накаливания
Вакуумная трубка
Источник высокого напряжения
Рентгеновские лучи

Линейный ускоритель для получения рентгеновских лучей высокой энергии
мишень
электроны
рентгеновские лучи
Часть 2: Радиационная Физика

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
Часть 2: Радиационная Физика

Получающийся рентгеновский спектр
Характеристические рентгеновские лучи
Тормозное излучение
Спектр после
фильтрации
Максимальная энергия электронов
Часть 2: Радиационная Физика
Интенсивность
Нефильтрованное излучение (в вакууме)
Энергия фотона (кэВ)

поглощение
рассеяние
прохождение
передача энергии
Взаимодействие фотонов с веществом
Часть 2: Радиационная Физика

фотон
характеристическое излучение
электрон
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Часть 2: Радиационная Физика

фотон
электрон
Рассеянный фотон
ЭФФЕКТ КОМПТОНА
Часть 2: Радиационная Физика

РОЖДЕНИЕ ПАР
фотон
позитрон
электрон
Часть 2: Радиационная Физика

АННИГИЛЯЦИЯ
β+ + e-
γ (511 кэВ)
γ (511 кэВ)
β+ диапазон 1-3 мм
(зависит от радионуклида )
Радионуклид
Часть 2: Радиационная Физика

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНА
Энергия фотона (МэВ)
Атомный номер (Z)
Часть 2: Радиационная Физика
Фотоэлектрический эффект
Эффект Комптона
Рождение пар

d: толщина поглотителя
μ: коэффициент поглощения
HVL: слой половинного поглощения
TVL: слой 10-кратного поглощения
ПРОХОЖДЕНИЕ ФОТОНОВ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО
Часть 2: Радиационная Физика
Количество фотонов
Толщина слоя

HVL: слой половинного поглощения
Часть 2: Радиационная Физика
Толщина поглотителя , необходимая для поглощения 50 процентов излучения
(HVL – слой половинного поглощения).
Энергия излучения
Бетон
Свинец

Часть 2. Радиационная Физика
2.5. Радиационные величины и единицы измерения
МАГАТЭ Учебный Материал по Радиационной Защите в Ядерной Медицине

Высокая поглощенная энергия на единицу массы
Много ионизаций на единицу массы
Повышенный риск биологических повреждений
ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ
Часть 2: Радиационная Физика

Поглощенная доза
Поглощенная энергия на единицу массы
1 Гр (грэй) = 1 Дж / кг
Часть 2: Радиационная Физика

Гарольд Грэй (1905-1965)
Часть 2: Радиационная Физика

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
Часть 2: Радиационная Физика

Множители и Приставки (Доза)
Множитель Приставка Сокращения
1 - Зв
1/1000 мили (м) мЗв
1/1 000 000 микро (мк) мкЗв
Часть 2: Радиационная Физика

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
Часть 2: Радиационная Физика

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
Часть 2: Радиационная Физика

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)
Часть 2: Радиационная Физика

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
Часть 2: Радиационная Физика

Рольф Зиверт (1896-1966)
Часть 2: Радиационная Физика

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

Коллективные эффективные дозы в Швеции
Часть 2: Радиационная Физика
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:

Часть 2. Радиационная Физика
2.6. Радиационные детекторы
МАГАТЭ Учебный Материал по Радиационной Защите в Ядерной Медицине

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

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
Часть 2: Радиационная Физика

Принципы детектора
Газонаполненные детекторы
пропорциональные счетчики
счетчики Гейгера-Мюллера (ГM)
Сцинтилляционные детекторы
твердый
жидкий
Другие детекторы
Полупроводниковые детекторы
Плёночные
Термолюминесцентные детекторы (ТЛД)
Часть 2: Радиационная Физика

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
Часть 2: Радиационная Физика

Газонаполненные детекторы
Часть 2: Радиационная Физика

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ
Высокое
напряжение
+
-
Отрицательный ион
Положительный ион
1234
Электрометр
Сигнал пропорционален количеству
ионизаций в единицу времени (активность, мощность излучения)
Часть 2: Радиационная Физика

Радиометр - дозкалибратор
Инструменты мониторинга (радиометрического контроля)
ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ
Использование в ядерной медицине
Часть 2: Радиационная Физика

Общие свойства ионизационных камер
Высокая точность
Стабильность
Относительно низкая чувствительность
Часть 2: Радиационная Физика

Диапазоны работы для газонаполненных детекторов
Часть 2: Радиационная Физика
Knoll

Пропорциональный счетчик
Часть 2: Радиационная Физика

Инструменты мониторинга (радиометрического контроля)
Пропорциональный счетчик
Использование в ядерной медицине
Часть 2: Радиационная Физика

Свойства пропорциональных счетчиков
Чувствительность немного выше, чем у ионизационной камеры
Используется для регистрации частиц и фотонов низкой энергии
Часть 2: Радиационная Физика

Knoll
-
+
-
Единственная случайная частица может быть причиной полной ионизации
Принцип действия счетчика Гейгера Мюллера
Часть 2: Радиационная Физика

Радиометр для контроля загрязнения
Дозиметр (если калиброванный)
Счетчик Гейгера-Мюллера Использование в ядерной медицине
Часть 2: Радиационная Физика

Высокая чувствительность
Низкая точность
Общие свойства счетчика Гейгера-Мюллера
Часть 2: Радиационная Физика

Сцинтилляционные детекторы
Часть 2: Радиационная Физика

Усилитель
Анализатор амплитуды импульса
Счетчик
Сцинтилляционный детектор
Часть 2: Радиационная Физика
Детектор
Фотокатод
Диноды
Анод

Анализатор амплитуды импульса
Верхний
порог
Нижний
порог
Время
Амплитуда импульса (В)
Анализатор амплитуды импульса позволяет подсчитывать только импульсы определенной амплитуды (энергии).
Сосчитаны
Несосчитаны
Часть 2: Радиационная Физика

Распределение амплитуд импульсов NaI(Tl)
Часть 2: Радиационная Физика
Скорость счета
Амплитуда импульса (энергия)
Рассеянное излучение
Пик полной энергии

детектор
Образец, смешанный с сцинтилляционным раствором
Жидкостные сцинтилляционные детекторы
Часть 2: Радиационная Физика
детектор

Счетчик образцов
Одно- и много- пробные системы
Гамма-камеры
Инструменты контроля
Сцинтилляционные детекторы Использование в ядерной медицине
Часть 2: Радиационная Физика

Другие детекторы
Часть 2: Радиационная Физика

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

Сравнение спектра от Na(I) сцинтилляционного детектора и Ge (Li) полупроводникового детектора
Часть 2: Радиационная Физика
Knoll

Идентификация нуклидов
Контроль чистоты радионуклидов
Полупроводниковые детекторы
Применение в ядерной медицине
Часть 2: Радиационная Физика

Принцип: как у обычной фотопленки
Зёрна галида серебра, в результате облучения и проявления, превращаются в металлическое серебро
Применение в ядерной медицине: Индивидуальный дозиметр
Плёночные
Часть 2: Радиационная Физика

Плёночные
Требуется обработка ---> проблемы с воспроизводимостью
Двумерный дозиметр
Высокое пространственное разрешение
Высокий атомный номер ---> зависимость сигнала от качества излучения
Часть 2: Радиационная Физика

Принцип термолюминесценции
ТЛД
Часть 2: Радиационная Физика

Упрощенная схема процесса ТЛД
Часть 2: Радиационная Физика
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
Часть 2: Радиационная Физика

Применение в ядерной медицине
индивидуальные дозиметры (тело, пальцы…)
специальные измерения
ТЛД
Часть 2: Радиационная Физика

Недостатки:
Требует много времени
Не создает постоянной записи
ТЛД
Часть 2: Радиационная Физика

Вопросы?
Часть 2: Радиационная Физика

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%.
Часть 2: Радиационная Физика

ОБСУЖДЕНИЕ
Лечение проводится с помощью йода-131. Какие типы взаимодействия испускаемого излучения с мягкими тканями человека доминирут?
Часть 2: Радиационная Физика

ОБСУЖДЕНИЕ
Лаборатория выполняет работу с Н-3. Обсудите подходящий тип детектора для обнаружения загрязнений оборудования и рабочих мест.
Часть 2: Радиационная Физика