Ioniserende stråling og vekselvirkning med materie

Like dokumenter
Ioniserende stråling. 10. November 2006

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 2

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Strålingsfysikk /kjemi stråling del 2

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, 2015

Laboppgave i FYS3710 høsten 2017 Stråleterapi Medisinsk fysikk

Laboppgave i FYS3710 høsten 2014 Stråleterapi Medisinsk fysikk

Løsningsforslag til ukeoppgave 16

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2. Lars Kristian Henriksen Gruppe 3

RØNTGENSTRÅLING oppdages, 8. nov RADIOAKTIVITET oppdages 1. mars 1896

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 3

Algoritmer i doseplanlegging

Ionometri. Dosimetriske prinsipper illustrert ved ionometri. Forelesning i FYSKJM4710. Eirik Malinen

Løsningsforslag til eksamen i FY8401/FY8410/VUF4001 IONISERENDE STRÅLINGS VEKSELVIRKNING MED MATERIE Onsdag 15. desember 2004

FYS1010-eksamen Løsningsforslag

Senter for Nukleærmedisin/PET Haukeland Universitetssykehus

Strålingsfysikk. Innhold. Partikkelstråling. Partikkelstråling eksempler. Atomets oppbygning. Modalitetskurset i Radiologi /4 13

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

ESR-dosimetri ved nøytron- og ionebestråling av litium format

Oppgave 1. passende figur. vektleggess 6poeng. Evne til. b) Den 1,444 mgy. Hva. blir da den. Sensorveiledning: 2poeng. stråleintensitet.

KOSMOS. 10: Energirik stråling naturlig og menneske skapt Figur side 304. Uran er et radioaktivt stoff. Figuren viser nedbryting av isotopen uran-234.

Introduksjon til partikkelfysikk. Trygve Buanes

5:2 Tre strålingstyper

( ) Masse-energiekvivalens

Hvordan ser kjernen ut?

Monte Carlo simulering av avsatt dose ved en tenkt behandling med radioaktiv gel som omslutter en svulst

Den biologiske doseekvivalenten. Den effektive doseekvivalenten. Source for ALI values. ALI - eksempel. Biologisk halveringstid

Kan vi bruke IFEs atomreaktorer til å lage nye radioaktive medisiner?

Lyshastighet=30 cm per milliardels sekund

Kapittel 21 Kjernekjemi

PET. Medisinsk verktøy med radioaktivitet som grunnlag. Detektorer. Positron. g-kvant 511 kev. Radioaktiv tracer Detektorer

VELKOMMEN TIL INTERNATIONAL MASTERCLASSES 2017 FYSISK INSTITUTT, UNIVERSITETET I OSLO

LHC girer opp er det noe mørk materie i sikte?

5:2 Tre strålingstyper

AST1010 En kosmisk reise

Løsningsforslag til ukeoppgave 15

Magne Guttormsen Fysisk institutt, UiO

Forelesningsnotat om molekyler, FYS2140. Susanne Viefers

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 19/8 2016

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

Trygve Helgaker. 31 januar 2018

Røntgenfysikk Kristin Jensen Kompetansesenter for diagnostisk fysikk Oslo universitetssykehus, Ullevål

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 2. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

Biofysikk og Medisinsk fysikk - BMF

Eirik Gramstad (UiO) 2

Kosmos SF. Figurer kapittel 10 Energirik stråling naturlig og menneskeskapt Figur s. 278

KJM Radiokjemidelen

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

BINGO - Kapittel 6. Når et stoff går fra. Når et stoff går fra fast stoff til væske (smelte) To eller flere atomer som henger sammen (molekyl)

Radioaktivitet, ioniserende stråling og dosebegreper

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 13: Sola

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

HØGSKOLEN I BERGEN Avdeling for helse og sosialfag

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Theory Norwegian (Norway)

Kosmos SF. Figurer kapittel 10: Energirik stråling naturlig og menneskeskapt Figur s. 292

EKSAMENSOPPGAVE/ EKSAMENSOPPGÅVE

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 12/6 2017

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

Hva har LHC lært oss om partikkelfysikk så langt?

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Fasiter til diverse regneoppgaver:

elementpartikler protoner(+) nøytroner elektroner(-)

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 13: Sola

Litiumformat som strålingsdosimeter for ESRdosimetri

TFY4215_S2018_Forside

Radioaktivitet. Enheter

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet NTNU

Masterclass i partikkelfysikk

FYS 2150.ØVELSE 17 BRAGGDIFFRAKSJON

Eksperimentell partikkelfysikk. Kontakt :

Braggdiffraksjon. Ole Ivar Ulven, Carsten Lutken, Alexander Read, mfl. Sist endret 1. mars 2017 Fysisk institutt, UiO

ATLAS Detector Monitoring with Jets

AST1010 En kosmisk reise

Løsningsforslag til øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

Indirekte ioniserende stråling. Dosimetri for indirekte ioniserende stråling. Forelesning i FYSKJM4710. Eirik Malinen

Lys. Bølger. Partiklar Atom

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4320 Prosjekt Biofysikk og Medisinsk Teknologi: Tomografi. Tomografi. Pål Erik Goa, Jon Andreas Støvneng Peder Galteland, Grunde Wesenberg

Kollokvium 4 Grunnlaget for Schrödingerligningen

FYS1120 Elektromagnetisme - Ukesoppgavesett 2

Braggdiffraksjon. Ole Ivar Ulven, Carsten Lutken, Alexander Read, mfl. Sist endret 10. april 2017 Fysisk institutt, UiO

Bildekvalitet i Røntgendiagnostikk. Bjørn Helge Østerås Medisinsk Fysiker Bilde og Intervensjonsklinikken Oslo Universitetssykehus, Ullevål

Atommodeller i et historisk perspektiv

Teoretisk kjemi. Trygve Helgaker. Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. Onsdag 13.

Radon og helserisiko. Vurdering av helserisiko

University of Oslo. Department of Physics. FYS 3710 Høsten EPR spektroskopi. EPR-Labotratory

Løsningsforslag Fysikk 2 V2016

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Elektromagnetisk bølge 1/23/2017. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

Strålingseffekter i inhomogene medier. Dosimetri ved ESR/alaninfilm, ionekamre og Monte Carlo simuleringer

Lys. Bølger. Partiklar Atom

a. Tegn en skisse over temperaturfordelingen med høyden i atmosfæren.

Forslag til forarbeid

Kreftenes opprinnelse i rommet (Naturkreftenes prinsipp) Frode Bukten

VEILEDNING TIL HANDS-ON-CERN, Z-SPORET

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 12: Sola

Oppgavesett 6. FYS 1010 Miljøfysikk. Oppgave 1

UNIVERSITETET I OSLO

Fys 1010 Miljøfysikk FASIT Oppgavesett 10

Transkript:

Ioniserende stråling og vekselvirkning med materie Eirik Malinen Røntgenkontrast: kun et spørsmål forskjeller i tetthet (dvs. massetetthet)? Vekselvirkningsteori nødvendig for å forklare: Røntgen og CT Strålingskilde - Fotoner - Ladde partikler - Nøytroner, Stråleterapi stråling atomer biomolekyler celler vev / mennesker Positronemisjonstomografi (PET) H 2 O Biologiske effekter DNA Vekselvirkningsteori DOSIMETRI

Stråling: små energipakker Vekselvirkninger Vekselvirkning: utveksling av energi strålingen mister energi, mediet mottar energi * absorpsjon E inn E 0 E 0 +E avsatt * * spredning E inn -E avsatt Energioverføringen avhenger av strålingstype, strålingsenergi og medium Sannsynlighet for v.v. angis av tverrsnittet, dvs. et effektivt areal den ioniserende partikkelen ser når den passerer et atom/ molekyl Fotonvekselvirkninger Fotoner vekselvirker sjelden Store energioverføringer ved hver vekselvirkning Fotoner har lang rekkevidde Viktigste typer vekselvirkninger: - Fotoelektrisk effekt - Comptonspredning - Pardannelse Fotoelektrisk effekt hν Foton absorberes av atom, atomært elektron ( fotoelektron ) emitteres Atom ionisert Inntreffer kun hvis hν > E b K L bindingsenergi K L e -

Overført energi: hν Energi til fotoelektron: hν Ε b Sannsynlighet øker dramatisk med atomnr. Sannsynlighet avtar dramatisk med fotonenergi K-skall-elektroner emitteres med størst sannsynlighet Hva med elektronvakansen? Ionisert atom kvitter seg med overskuddsenergi via karakteristisk stråling Vakans etter emisjon av fotoelektron K L elektronovergang K.S: foton, energi (eksempel) = E b,k E b,l E b øker kraftig med atomnummer, dermed også energi til K.S. K L Karakteristisk K-stråling Karakteristisk stråling emitteres isotropt Alternativt kan atom emittere nok et elektron; Auger-effekten Lavatomær : mest Auger Høyatomær : mest karakteristisk stråling Sannsynlighet for fotoelektrisk effekt Tetthet Effektivt atomnr. Bløtvev 1.0 7.4 Bein 1.2-1.8 12.3 Atomær sammensetning viktigere enn tetthet

Comptonspredning - Fotonet kan ha spredningsvinkel 0-180º Elektronet kan ha spredningsvinkel 0-90º Energi til spredte fotoner: Foton spres mot et løst bundet elektron (E b 0) Energi gitt til elektron: hν-hν hν beskrevet av Compton; avhenger av spredningsvinkel og hν Avhenger ikke av medium - Fotonet går rett frem : uendret energi - Fotonet spredt 90 : energi < 0.511 MeV - Fotonet spredt 180 : energi < 0.255 MeV Romlig fordeling av spredte fotoner: Sannsynlighet for Comptonspredning 10 kev 200 kev 2 MeV Sannsynlighet for fremoverspredning øker med fotonenergi

Gjennomsnittlig andel energi gitt Comptonelektron Andel energi beholdt av fotonet Andel energi gitt elektronet Pardannelse Foton annihileres i feltet fra en kjerne et elektron-positron-par oppstår: atomkjerne 10 MeV 1.5 MeV 0.4 MeV 2 2 Bevaring av energi: h ν = m c + m+ c + kin. energi Foton må ha energi som minst tilsvarer 2m e c 2 = 1.022 MeV 3 MeV 0.7 MeV Pardannelse oppdaget i tåkekammer e + e - Sannsynlighet for p.d. øker litt med atomnr. og betraktelig med fotonenergi Positronet vil annihileres med et elektron (se nedenfor) Magnetfelt Triplettdannelse: et positron-elektronpar skapes i feltet fra et atomært elektron

Sannsynlighet for pardannelse Andre vekselvirkninger Rayleighspredning: spredning av lavenergetisk foton, ingen energioverføring Fotonukleære prosesser: atomkjerne absorberer foton kjerne desintegrer Eksempel, Wolfram: W(γ, n) Kun relevant ved høye fotonenergier (> 10 MeV) Fotonfelt attenuasjon Kollimator Spredt foton absorbsjon transmisjon γ detektor Absorbator, tykkelse x Antall fotoner som registreres i detektor: N = N 0 e µ x spredning µ: sannsynlighet for v.v. pr. lengdeenhet; summen av sannsynlighet for alle typer vekselvirkninger (fotoel., Comptonspr., pard....)

e -µx : fotoner har uendelig rekkevidde N 0 HVL kan utledes fra e -µx HVL = ln2/µ Eksempel, 2 MeV fotoner N=N 0 e -µx Pb: µ = 0,516 cm -1 HVL=1.3 cm Halvverdilag, HVL: tykkelse av absorbator som reduserer fotonintensitet med 50 % HVL spesifiserer røntgenkvalitet x H 2 O: µ = 0,049 cm -1 HVL=14.1 cm 10 x så mye vann nødvendig for å dempe stråle Dempningskurver MEN: e -µx gir kun antall primære fotoner i et gitt dyp HVA med de spredte fotonene...? MeV cm bløtvev Monte Carlo simuleringer (se nedenfor)

Primære og spredte fotoner, 100 kev Primære og spredte fotoner, 1 MeV e -µx e -µx Total sannsynlighet Forhold mellom bein/bløtvev µ/ρ energi µ/ρ atomnummer Diagnostisk vindu Sannsynlighet per tetthet

Røntgenbilder generert ved forskjellige energier: Atomnummer Konvensjonell røntgen (120 kv) Lineærakselerator (5 MV) Mye fotoelektrisk effekt og lite Comptonspredning gir høy kontrast ved lav energi Fotonenergi (MeV) Diagnostikk og stråleterapi Ladde partiklers vekselvirkninger Ladde partikler vekselvirker ofte Små energioverføringer ved hver vekselvirkning Kort rekkevidde Viktigste typer vekselvirkninger: - Kollisjoner - Strålingstap Kollisjoner elektron proton alfapartikkel Eksitasjon Ionisasjon

Ladde partikler: vekselvirker via elektromagnetisme ( Coulombvekselvirkninger ) Viktigst: vekselvirkninger med atomære elektroner Støtparameter b: a: atomradius 1) b >> a : myke kollisjoner; partikkel passerer i stor avstand fra atom Svake krefter, små energioverføringer Resulterer i eksitasjoner og ionisasjoner 2) b ~ a : harde kollisjoner; partikkel passerer rett ved eller gjennom atom Sterke krefter, store energioverføringer Resulterer i ionisasjoner 1) inntreffer hyppigst, men omtrent lik total energioverføring Lærdom fra skolefysikk Elastiske støt: bevaring av kinetisk energi Klassisk mekanikk: Elektron-elektron-kollisjon (biljard) v max = 90º, E max = 100 % v Rutherford viste at veldig små spredningsvinkler er mest sannsynlig Små energioverføringer er dermed mest sannsynlig Hva med det gjennomsnittlige energitap? Bethes Stopping Power Proton-elektron-kollisjon: v max = 0.03º, E max = 0.2 %

Stopping power - stoppeevne Forventet energitap per traversert lengdeenhet E 0 x E 0 - E Stopping power: S = E/ x [kev/µm] Beskriver mediets evne til å bremse partikkelen Stopping power - stoppeevne Kollisjonsstoppevnen er: - omvendt proporsjonal med partikkelens kinetiske energi - proporsjonal med kvadratet av partikkelens ladning - proporsjonal med absorbatorens elektrontetthet - noe avhengig av atomær struktur (jfr. fotoelektrisk effekt) Alfapartikkel (heliumkjerne, ladning 2+) har fire ganger så høy S som proton med samme hastighet Kollisjonsstoppeevne Energiavsetning med dyp, protoner 187 MeV Relativ dose Dyp i vann (cm) Nær uavhengig av atomær komposisjon Elektroner: mer komplisert (se nedenfor)

Linear Energy Transfer Harde kollisjoner resulterer i energetiske sekundærelektroner (short tracks) Partikkelspor Elektroner lokalt Hvor mye energi avsettes lokalt? LET kan utledes fra samme formalisme som stoppeevne; LET Stoppeevne Tunge partikler Fe Ca O He H Bremsestråling (b << a) Foton emitteres fra ladd partikkel som endrer hastighet i feltet fra en atomkjerne (eller elektron) Ladd partikkel atomkjerne Sannsynlighet omvendt proporsjonal med kvadratet av partikkelens masse (m p /m e ) 2 2000 2 Bremsestråling ikke viktig for tunge partikler! Elektron kan overføre all sin energi til fotonet; gjennomsnittlig overføring typisk 50 % Sannsynlighet for bremsestråling øker med atomnummer og energi Bremsestråling = røntgen stråling! Røntgenstråling genereres ved å sende elektroner mot et target der de bremses ned relevant å velge target med høyt atomnummer (eks. W) for stort røntgenubytte

Bremsestoppeevne Røntgenutbytte Fotonenergi ut / Energi inn = S bremse /S total Wolfram (Z=74) Positronannihilasjon Positron annihilileres med atomært elektron, og fotonpar emitteres PET: positronemisjonstomografi 180º Hvert foton har energi > 511 kev

Andre vekselvirkninger Cerenkov-effekten elektroner med lyshastighet lager høyfrekvente sjokkbølger Rekkevidde Rekkevidden, R, til en ladd partikkel er dens totale veilengde - gjenspeiler stoppeevne i mediet Den projiserte rekkevidden, PR, er det største dypet partikkelen kan nå Elektroner: PR < R (mye spredning) e - Tunge partikler: PR R (ikke spredning) α Rekkevidde Rekkeviddeskalering: R(med 1) ρ(med 1) R(med 2) = ρ(med 2) Rekkevidden til 10 MeV elektroner i bløtvev er ca. 3 cm hva er rekkevidden i bein? 3 cm 1.0 g/cm R(bein) = 3 1.30 g/cm 3 = 2.3 cm

En stråle av ladde partikler vil oppleve: Straggling - Variasjoner i energitap (straggling) 15 MeV e - - Variasjoner i spredning En stråle der alle partiklene opprinnelig hadde samme energi og retning vil smøres ut ettersom strålen går gjennom mediet Antall elektroner Primærstråle Stråle ved grunne dyp Stråle ved store dyp Elektronenergi [MeV] Antall partikler i dyp Absorbert dose og vekselvirkningssannsynlighet Tunge partikler Elektroner Dose = absorbert energi / masse Absorbert energi = E inn -E ut = E PR R dyp PR R dyp m D = E/m Forventningsverdi Vekselvirkningssannsynlighet dose!

Monte Carlo simuleringer Mange problemer innen strålingsfysikk er uløselige Monte Carlo - Random walk Må benytte numeriske metoder krever mye datakraft Bruker sannsynlighetsfunksjoner og vilkårlige tall e - Electron walk Electron tree e -

18 MeV elektroner i et grensesjikt Relativ dose Bløtvev Bløtvev + bein (2-4 cm) Dyp, cm