Radiační biofyzika •Přednáška 7 2023 •Interakce IZ •Jednotky v radiační biofyzice, dosimetrii a radiační ochraně Martin Falk Interakce IZ s hmotou •I. FYZIKALNÍ INTERAKCE V zásadě rozlišujeme • 1. Interakce přímo ionizujícího záření •1A: Interakce těžkých nabitých částic a částice, p+, štěpné trosky vzniklé při štěpení uranu ap. •1B: Interakce lehkých nabitých částic b- (elektrony), b+ (pozitrony) • 2. Interakce nepřímo ionizujího záření • 2A: Interakce fotonů g, RTG • 2B: Interakce neutronů [USEMAP] 1. Interakce přímo ionizujícího (tj. nabitého) záření •Přímo ionizovat mohou nabité “částice” (e-, a-částice, urychlené ionty). Ty při průchodu látkou ztrácí svou kinetickou energii převážně coulombovskou (elektrickou) interakcí s elektrony v atomech látky (obráceně definice à přímo ionizující záření je takové záření, které je schopné při svém průletu hmotou látku přímo ionizovat). • • • • [USEMAP] 1.1. IONIZACE Minimální energetická podmínka ionizace •Minimální energie potřebná k ionizaci ve vodném prostředí (cytoplazma) je 33 eV •Vztah mezi energií incidentního fotonu a jeho vlnovou délkou je dán rovnicí E = h*f = h*c/λ; E = energie fotonu, f = frekvence, h = Planckova konstanta a λ = vlnová délka à absorpce energie ionizujícího záření v látce má kvantový charakter (viz dříve) •To odpovídá záření s vlnovou délkou <40 nm, tedy kratší než přísluší ultrafialovému záření à Jedna z možných definic IR = záření s E >40 nm 1.1 IONIZACE 1. Interakce přímo ionizujícího (nabitého) záření 1.1. IONIZACE •Základní interakcí přímo ionizujícího záření je tak IONIZACE/EXCITACE à Právě tento projev dal IZ jeho jméno •Obdrží-li elektron dost energie na to, aby se zcela uvolnil z vazby k mateřskému atomu, vzdálí se od něj trvale - dochází k ionizaci atomu •z elektroneutrálních atomů [p+ = e-] vznikají kladně nabité částice, kationty, a volné elektrony. • • •reakcemi s e- vznikají záporně nabité anionty •ionty jsou velice reaktivní a vedou k celé řadě chemických reakcí à POŠKOZENÍ BIOMOLEKUL [USEMAP] Ionization_Of_Water Ionization_Of_Water 1. Interakce přímo ionizujícího (nabitého) záření •Je-li energie předaná elektronu v atomovém obalu menší, než je zapotřebí k ionizaci, může dojít alespoň k vybuzení elektronu do energeticky vyšších orbitalů (vyzdvižení e- na vyšší energetickou hladinu) – tj. excitaci atomů. •Excitovaný (vzbuzený) stav atomu není stálý •– vzápětí přeskočí elektron zpět na původní hladinu •– nastane deexcitace, • • • • •přičemž rozdíl energií se vyzáří ve formě fotonu elektromagnetického záření (nebo více fotonů, je-li přechod po etapách, např. z n=3 na n=2 a pak na n=1). Tento děj je podstatou luminiscence 1.2. EXCITACE E(X1) = E(e-N) - E(e-K) [USEMAP] e-(K) X-ray photons: 1 2 3 1 e-(L) e-(M) e-(N) E(X1) = E(X1) + E(X2) + E(X3) •Při excitaci elektronů na vnějších slupkách je emitováno viditelné světlo, •při excitaci na vnitřních slupkách pak fotony charakteristického rentgenového záření (X-ray fluorescence) [USEMAP]• •Pro srovnání: Neionizující záření není (z logiky věci) schopno ionizovat a excitovat absorbující hmotu. •Energie stačí pouze ke změně vibračního či rotačního stavu molekuly •Absorpce energie neionizujícího záření v látce nemá kvantový charakter • Deexcitace – Emise fotonů (X / vis.) Deexcitace – Emise elektronů •Díra po e- vyraženém z atomového obalu zářením je v rámci deexcitace zaplněna přeskokem e- z vyšších energetických hladin. •Oproti předcházejícímu scénáři však není rozdíl energií elektronů vyzářen ve formě RTG záření, nýbrž je předán dalšímu elektronu nebo elektronům, které jsou z elektronového obalu atomu následně „vystřeleny“ – Augerův efekt • [USEMAP] (pokud máme incidentní foton, pro nabité záření je namísto incidentního fotonu např. elektron) Augerův efekt Obsah obrázku diagram, schématické Popis byl vytvořen automaticky Auger cascade following electron-capture decay Nath et al., Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 247(3):589-591 DOI:10.1023/A:1010655215719 Kaskády Augerových elektronů Obsah obrázku tabulka Popis byl vytvořen automaticky KLM Auger transition Obsah obrázku tabulka Popis byl vytvořen automaticky KLL Auger transition EMISE AUGEROVA ELEKTRONU: Nejdříve se vytvoří díra emisí fotoelektronu nebo sekundárního elektronu z vnitřní hladiny, např. K. Díra je potom zaplněna elektronem z vyšší hladiny, zde z hladiny L2. Uvolněná energie je předána dalšímu elektronu, v našem případě na hladině L3. Tento elektron nesoucí označení podle elektronových hladin zahrnutých v dané Augerově transici KL1L3 je následně emitován Augerův efekt - Nomenklatura Obsah obrázku diagram Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku diagram Popis byl vytvořen automaticky Pravděpodobnost emise Augerových elektronů •klesá se Z prvku (e- jsou méně pevně vázány v obalu a mohou se též snadněji uvolnit z obalu díky jeho menší „tloušťce“) •roste s klesajícím rozdílem mezi energetickými stavy slupek Obsah obrázku tabulka Popis byl vytvořen automaticky KLL Auger transition Augerův efekt – Pravděpodobnost oproti X-ray emisi Pravděpodobnost X-ray emise naopak roste se Z4 (např. X-ray produkce pro K-L1(L2) pro uhlík [Z=6] je 0,26 %, pro dusík [Z=7] 0,6 %, pro kyslík [Z=8] 0,92 % a pro gadolinium [Z=64] je asi 93,4 %, tj. pravděpodobnost Augerova procesu pro gadolinium je nízká.) Miloshevsky et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 192 (2002) 360–364 Here KLL, LMM, and MNN are various forms of the Auger transition, while Ka, La, and Ma are X-ray processes. •The probability of radiative transitions drops with decreasing energy. •For this reason, the X-ray fluorescence yield decreases significantly with increasing the shell number. •For gadolinium, the X-fluorescence yield from the L shell is less than 20 % and from the M shell it is less than 1 %. Miloshevsky et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 192 (2002) 360–364 Obsah obrázku diagram Popis byl vytvořen automaticky The removal of a K-shell electron from a copper atom and the subsequent de-excitation process (https://en.wikibooks.org/wiki/Basic_Physics_of_Digital_Radiography/The_Basics) Augerův efekt – Pravděpodobnost oproti X-ray emisi Aug e- X-ray EXISTUJÍ I „INTERNÍ“ PŘÍČINY AUGEROVA EFEKTU… Obsah obrázku diagram Popis byl vytvořen automaticky •Kromě účinků „externích“ fotonů/elektronů může být Augerova emise iniciována elektronovým záchytem (EC) nebo vnitřní konverzí (IC). •Při EC zachytí protony vnitřní orbitální elektron (K), což vede ke vzniku elektronové díry. •IC e- vzniká při deexcitaci nestabilních jader. Emitovaný g-foton předávají energii na vnitřní e-, čímž dochází k jeho uvolnění •Následuje zaplnění elektronové díry přeskokem e- z vyšší energetické hladiny obalu a emisi X-ray •I toto záření může podlehnout vnitřní konverzi a emisi formou Augerových e-. Augerův efekt – „INTERNÍ“ PŘÍČINY •U těžkých prvků (vysoké Z) může být těchto e- třeba až 20 à elektronové „spršky“ à KOVOVÉ NANOČÁSTICE JAKO RADIOSENSITIZÁTORY V MEDICÍNĚ •Potenciálně výhodné v radioterapii, kde např. kovové nanočástice (Au, Pt, Gd, …) mohou teoreticky lokálně zvyšovat účinek ionizujícího záření (nanočástice jsou preferenčně vychytávány nádorovými buňkami [díky tzv. EPR efektu a jejich vyšší metalické aktivitě] a po ozáření emitují mj. spršky Auger elektronů) Schematic illustrating potential interactions of incident photons with a gold atom or other high-Z materials [10]. Source: http://tcr.amegroups.com/article/view/1550/html. AME Publishing Company. Republished with permission of Pioneer Bioscience Publishing Company, from D. Kwatra et al., Translational Cancer Research, 2(4), pp. 332, 2013; permission conveyed through Copyright Clearance Center, Inc. Augerův efekt – Aplikace •Augerův jev je také např. základem Augerovy elektronové spektroskopie •Auger electrons (AEs) are very low energy electrons… •… that are emitted by radionuclides that decay by electron capture (e.g. 111In, 67Ga, 99mTc, 195mPt, 125I and 123I). •This energy is deposited over nanometre-micrometre distances, resulting in high linear energy transfer (LET) that is potent for causing lethal damage in cancer cells. •Thus, AE-emitting radiotherapeutic agents have great potential for treatment of cancer. Augerův efekt – Aplikace Ku, A., Facca, V.J., Cai, Z. et al. Auger electrons for cancer therapy – a review. EJNMMI radiopharm. chem. 4, 27 (2019). https://doi.org/10.1186/s41181-019-0075-2 Obsah obrázku diagram Popis byl vytvořen automaticky a 111In-trastuzumab-AuNPs are an example of an Auger electron (AE)-emitting radiation nanomedicine composed of gold nanoparticles (AuNPs; 30 nm) modified with 2 kDa polyethylene glycol (PEG) chains to stabilise the AuNPs and longer 5 kDa PEG chains conjugated to trastuzumab to bind HER2 or to DTPA to complex 111In. b Dark-field and fluorescence microscopy demonstrating peri-nuclear localisation (nucleus is stained blue with DAPI) of 111In-trastuzumab-AuNPs (yellow) in HER2-positive SK-BR-3 human breast cancer cells likely mediated by an endogenous nuclear localisation sequence (NLS) peptide in HER2. c DNA double-strand breaks (DSBs; bright foci) detected by immunofluorescence for γH2AX in the nucleus of SK-BR-3 cells exposed to 111In-trastuzumab-AuNPs mediated by emission of AEs by 111In. d Local intratumoural (i.t.) injection of 111In-trastuzumab-AuNPs (10 MBq) in athymic mice with subcutaneous HER2-positive MDA-MB-361 human breast cancer xenografts arrested tumour growth compared to untreated mice (left panel) with no change in body weight (right panel) indicating no generalised normal tissue toxicity (Cai et al. 2016) •Primární ionizací se rozumí počet iontových párů vytvořených vyražením elektronů primární částicí. •Některé elektrony vyražené při ionizaci (tzv. delta elektrony, paprsky delta) mají tolik energie, že mohou samy dále po své dráze ionizovat - jedná se o sekundární ionizaci (název paprsky delta proto, jelikož stopa sekundárních e- v mlžné komoře má charakteristický rozvětvený tvar). [USEMAP] PRIMÁRNÍ A SEKUNDÁRNÍ IONIZACE •Při ionizaci a excitaci ztrácí letící nabitá částice svou kinetickou energii předáváním své hybností elektronům působením elektrických Coulombových sil. •Velikost hybnosti předané elektronům je úměrná velikosti Coulombových sil a času, po který tyto síly působí (době interakce). •Coulumbovské síly jsou úměrné náboji částice q a elektronové hustotě látky, jež je daná hustotou r a atomovým číslem Z (r.Z). •Doba interakce je nepřímo úměrná rychlosti částice v, takže energie, která je elektronům předána, je úměrná 1/v2. •Velikost ztráty energie na jednotku dráhy letu částice definuje tzv. lineární přenos energie, LPE (LET – Linear Energy Transfer) •anglická zkratka LET, se používá patrně častěji a preferuji ji i dále v prezentacích • [USEMAP] IONIZACE – LINEÁRNÍ PŘENOS ENERGIE (LPE / LET) •Shrneme-li uvedené, je LET •přímo úměrný náboji částice a elektronové hustotě látky (q.r.Z) •a nepřímo úměrný čtverci rychlosti částice (1/v2), tedy: • -dE/dx ~ q.r.Z/v2 [keV/mm]; • • [USEMAP] IONIZACE – LINEÁRNÍ PŘENOS ENERGIE (LPE / LET) Přesná hodnota je dána tzv. Betheho vzorcem, v němž je zahrnut i střední excitační potenciál atomů látky, přibližně úměrný protonovému číslu Z. Obsah obrázku diagram Popis byl vytvořen automaticky LET (Linear Energy Transfer) vyjadřuje velikost energie předané ionizující částicí na jednotku délky její dráhy v daném prostředí. Vyjadřuje se obvykle v keV/mm. L - lineární přenos energie; dl - vzdálenost, kterou ionizující částice prošla; dE - ztráta energie nabité částice v důsledku srážek s elektrony při jejím průchodu vzdáleností v látce a přenosem energie menším než je určitá omezující hodnota D . Vysoký LPE: částice α, protony … Nízký LPE: elektrony, záření γ a rentgenové záření. Záření s vysokým LPE = hustě ionizující záření, Záření s nízkým LPE = řídce ionizující záření. [J.m-1] v radiobiologii častěji [keV.µm-1] [USEMAP] IONIZACE – LINEÁRNÍ PŘENOS ENERGIE (LPE / LET) gamma rays/protons/… http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg heavy ions (zde 11B) Poškození při stejné dávce (1 Gy) http://www.pozitivni-noviny.cz/test/gallery/Image/2009/11/saudek1.jpg [USEMAP] Low-LET (g-rays) High-LET 11B and 20Ne ions [USEMAP] IONIZACE – LINEÁRNÍ PŘENOS ENERGIE (LPE / LET) 1broken ankle CT.JPG ≈ Jednoduché vs. mnohočetné DSB (DSB klastry) DSB = dvouřetězcové zlomy DNA •Kumulace špatně opravených DSB = KARCINOGENEZE •Radioterapie (a některé formy chemoterapie): též založena na indukci DSB [USEMAP] IONIZACE – LINEÁRNÍ PŘENOS ENERGIE (LPE / LET) [USEMAP]Dose-Response Curves vs. LET High-LET Low-LET For low LET radiation, Þ RBE µ LET, for higher LET the RBE increases to a maximum, the subsequent drop is caused by the overkill effect. [USEMAP] http://www.pozitivni-noviny.cz/test/gallery/Image/2009/11/saudek1.jpg Falk M: Indukce chromozomálních aberací ionizujícím zářením různých kvalit http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg HLOUBKOVÁ DEPOZICE DÁVKY 1. ENERGIE / RYCHLOST částice těžký iont: hmotnost velká, rychlost malá, dolet malý, počet ionizací/ztráty energie na jednotku dráhy – obrovský (proměnlivý) a, těžké ionty, g [USEMAP] http://www.bbc.co.uk/blogs/waleshistory/tonypandy_1910.jpg Falk M http://www.pozitivni-noviny.cz/test/gallery/Image/2009/11/saudek1.jpg 2. HMOTNOST / VELIKOST http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg [USEMAP] http://www.bbc.co.uk/blogs/waleshistory/tonypandy_1910.jpg Falk M http://www.pozitivni-noviny.cz/test/gallery/Image/2009/11/saudek1.jpg http://www.elmsagen.de/images/Hexe.jpg VLASTNOSTI ZÁŘENÍ VE VZTAHU K INDUKCI DSB 3. NÁBOJ [USEMAP] ROZDÍLNÉ VLASTNOSTI ZÁŘENÍ VZTAHU K LET: 3. NÁBOJ http://www.elmsagen.de/images/Hexe.jpg vs http://www.pozitivni-noviny.cz/test/gallery/Image/2009/11/saudek1.jpg [USEMAP] Obsah obrázku osoba, skupina, interiér, pózování Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku osoba, rozmazaný, rozmazání, dav Popis byl vytvořen automaticky BRAGGOVY KŘIVKY •Braggovy křivky popisují závislost LET (též mluvíme o specifické či lineární ionizaci) na hloubce průniku nabité částice do látky. •Jak se nabitá částice brzdí a klesá její rychlost, ionizační účinky rostou, protože při delším čase působení coulombovské interakce se stačí předat větší energie a vytrhnout více elektronů; http://th.physik.uni-frankfurt.de/%7Escherer/Blogging/HeidelbergIonTherapy/BraggPeak.jpg [USEMAP] Obsah obrázku osoba, exteriér, lidé, dav Popis byl vytvořen automaticky BRAGGOVY KŘIVKY •Energie předaná částicí hmotě je nepřímo úměrná čtverci rychlosti částice à •Proto předává částice nejvíce energie těsně před svým zabrzděním - křivka hloubkové závislosti specifické ionizace zde má výrazné tzv. Braggovo maximum (angl. Braggův peak). [USEMAP] http://ej.iop.org/images/0031-9155/57/14/4461/Full/pmb418178f6_online.jpg pokožka tumor zdravá tkáň (životně důležitá) http://www.mayfieldclinic.com/Images/PE-Radiotherapy_Fig1.jpg frakcionovaná terapie -- časově -- prostorově Nevýhody -- dávka klesá se vzdáleností -- velké poškození zdravé tkáně -- nízký zabíjecí účinek na jednotku dávky (velké množství nádorů je radiorezistentních) - Výhody metody -- levná -- technicky méně náročná --„méně citlivá“ na pohyb orgánů (dýchání, srdeční tep) http://www.lvcancercenter.com/images/rtside02.jpg [USEMAP] Současná radioterapie: paprsky gama a X (RTG) Gama rays V praxi se používá tzv. spread-out Bragg peak (SOBP) – viz samostatná přednáška) •Po zabrzdění je částice neutralizována záchytem elektronů a další ionizace již nepokračuje •využití této výhodné hloubkové závislosti ionizace v radioterapii à tzv. hadronová radioterapie •(viz samostatná přednáška). zdravá tkáň zdravá tkáň tumor [USEMAP] TUMOR [USEMAP] 1A_1. Interakce těžkých nabitých částic - IONIZACE •hlavním interakčním procesem je zde IONIZACE •ionizuje především vlastní nabitá částice, v menší míře pak vyražené e- •dráha pohybu přímá a krátká – dáno vysokou hustotou ionizace kolem dráhy, což vede k vysoké ztrátě energie částice na jednotce dráhy (obdobně jako když se medicinbal valí polem pingpongových míčků) •např. a-částice má ve vzduchu dosah (dolet) řádově jen centimetry a záření je zcela odstíněno pouhým listem papíru •(v pevných látkách dosah jen mm – desítky mm) radstop http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg [USEMAP] 1A_2. Interakce těžkých nabitých částic – INTERAKCE S JÁDRY • kromě ionizace se uplatňuje také INTERAKCE NABITÝCH ČÁSTIC S ATOMOVÝMI JÁDRY •ve srovnání s ionizací však při běžných reakcích tvoří jen zanedbatelnou složku, •využívá se jich v některých zdrojích neutronů [např. 9Be(a,n)12C] •Při průchodu těžkých nabitých částic (těžké ionty, alfa částice) látkou zpravidla nemusíme uvažovat o ztrátě jejich energie brzdným zářením http://www.angelfire.com/ak2/francoiscoderre/images/dejima.jpg [USEMAP] 1B_1. Interakce lehkých nabitých částic (e-, pozitrony) 1B_1. IONIZACE •nejvýznamnějším interakčním procesem je opět IONIZACE •dráha letu částice (průnik do hmoty) je delší než u těžkých částic, Ionizations and excitations along particle tracks in water, for a 5.4 MeV α-particle (top left), for electrons generated following the absorption of a 1.5 keV X-ray photon (top right) and electrons generated during the decay of iodine-125. [USEMAP] •Obecně má záření b ve vzduchu dolet decimetry až metry. •Dolet však značně závisí na energii – pro vodu platí přibližně následující vztah: R [cm] = E [MeV] / 2 •dráha je ale zakřivená, takže hustota ionizace je menší • 1.5 keV X-ray photon e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- a Interakce-Radiace 1B_2. Interakce lehkých nabitých částic: BRZDNÉ ZÁŘENÍ •BZ vzniká při zbržďování beta částic v materiálu (viz přednáška č. 1, RTG) •…částice prolétává elektromagnetickým polem mezi atomy a interaguje s ním – to vede ke ztrátě energie, která se vyzáří ve formě fotonového RTG záření. •Toto záření má spojité spektrum a energii, která je menší než energie letícího elektronu. •Jedná se o BRZDNÉ RENTGENOVO ZÁŘENÍ [USEMAP] •Obecně vzniká BZ, když se rychle letící nabité částice dostanou do silného elektromagnetického pole, kde jeho vlivem dojde k velké změně rychlosti (deceleraci) a směru letu dané částice. •Za přirozených podmínek: průlet částice v poli orbitálních elektronů nebo atomových jader •UMĚLE: v urychlovačích následkem ohybu dráhy částice v magnetickém poli à SYNCHROTRONY à intenzívní zdroje RTG • • • • • • • •V užším slova smyslu mluvíme o BZ hlavně v souvislosti s elektrony •BZ je málo významné z hlediska radioaktivity, protože rozpad beta málokdy produkuje e-/e+ s dostatečnou rychlostí. •Významnou roli hraje ale v případě kosmického záření a při provozu částicových urychlovačů. The SOLEIL synchrotron In a facility such as SOLEIL, electrons of very high energy (their nominal energy is of 2750 MeV) rotate at nearly the speed of light in a 354 m circumference storage ring. The emission of radiation is tangent to the trajectory in an extremely thin “light” line, when the electrons trajectory is curved with a magnetic field that plays the role of the nuclei electric field. The synchrotron radiation, produced in bending magnets and Wigglers inverters used for insertions), is filtered in energy or wavelength and directed by optical systems in beamlines towars experimental stations. [USEMAP] Brzdné záření – z německého „bremsstrahlung“, používá se i v anglické literatuře Energie emitovaných fotonů závisí na: •Vzdálenosti průletu částice od jádra (nebo jiné částice) •Energii částice (↑E (rychlost) e- → ↑E fotonů BZ, tzn. tím tvrdší záření vzniká. Tyto faktory se následně projeví velikostí změny vektoru rychlosti Rozdílné energie emitovaných fotonů mají za následek kontinuální energetické spektrum BZ [USEMAP] •Nejvíce relevantní je BZ zejména pří vyšších energiích •u lehkých nabitých částic (na rozdíl od těžkých nabitých částic) má ale ztráta energie prostřednictvím emise BZ význam i při relativně nízkých energiích [USEMAP] 1.energií záření (elektronů, pozitronů) 2.a zejména PROTONOVÝM ČÍSLEM (Z) ostřelovaného materiálu – proporční Z2 (Z udává i počet e- v elektronovém obalu →  Z znamená  hustota e- → více interakcí Poměr ztráty energie e- prostřednictvím BZ oproti ionizaci/excitaci lze empiricky odhadnout jako E.Z/820, kde E = kinetická energie e- [MeV] a Z = protonové číslo absorbující látky 3.Hmotnosti částice p+ a a částice produkují <1/106 množství BZ oproti e- se stejnou energií V případě biologických tkání (malé Z) tedy není BZ příliš významné Podíl BZ vůči energii spotřebované ionizací narůstá s: Na brzdné záření si musíme dávat pozor i při stínění (viz přednáška o radiační ochraně) Ke stínění paprsků g se používají těžké materiály (např. Pb). Kdybychom toto učinili při stínění záření b, způsobili bychom si emisi ještě pronikavějšího brzdného záření (RTG/g). Ke stínění b záření se proto využívají lehké materiály (např. plexisklo), případně za ním ještě vrstva olova na odstínění BZ (POZOR! – nesmí se obrátit) [USEMAP] 1B_3. Interakce lehkých nabitých částic: ANIHILACE b+ • • • • • •energie gama fotonů je rovna hmotnosti anihilovaných částic (kinet. energie e+ je totiž na konci dráhy téměř nulová). •Dle E=mc2 to představuje energii 511 keV na každý foton e^- + e^+ \rightarrow 2 \gamma •letící pozitron ztrácí svou energii ionizací a na konci své dráhy nutně narazí na e-. •jedná se o interakci hmoty s antihmotou → ANIHILACE: e+ a e- anihilují za vzniku dvou fotonů, [USEMAP] 511 keV 511 keV 1B_4. Interakce lehkých nabitých částic: VZNIK ČERENKOVOVA ZÁŘENÍ •vzniká u energičtějších beta částic v průhledném materiálu •letící e- v poli atomů a molekul na ně působí svým nábojem tak, že se natáčejí opačnými póly čímž od něho převezmou část energie. •Po odletu e- se dipóly vrátí do původní polohy a získanou energii vyzáří ve formě fotonů – ČERENKOVOVA ZÁŘENÍ [USEMAP] Obsah obrázku hodiny, hodinky, modrá, tmavé Popis byl vytvořen automaticky Pohled do vídeňského reaktoru TRIGA Mark-II vyplněného Čerenkovovým zářením. (Zdroj: Euronuclear.org) Interakce-Radiace Pokud e- letí v daném materiálu rychleji než světlo (v materiálu je totiž světlo pomalejší než ve vakuu), vznikají vlnoplochy světelné energie, které mohou interferovat a zesilovat se – … materiál je pak už nebude absorbovat a tuto energii bude odebírat záření, které je dokonce vidět (např. namodralá záře v bazénech s vyhořelým palivem) Interakce-Radiace [USEMAP] Obsah obrázku text, klipart, nádobí, talíř Popis byl vytvořen automaticky https://cs.wikipedia.org/wiki/%C4%8Cerenkovovo_z%C3%A1%C5%99en%C3%AD n = index lomu daného optického prostředí pro danou frekvenci záření ČERENKOVOVO ZÁŘENÍ 2: Interakce nepřímo ionizujícího záření •Nepřímo ionizující záření je záření, které nenese elektrický náboj – materiál tedy neionizuje přímo, nýbrž prostřednictvím produkce sekundárních (delta) elektronů •Jedná se o: • 2A: elektromagnetické záření (fotony): •Paprsky gama •Rentgenovo záření •2B: částice bez elektrického náboje: •neutrony • [USEMAP] 2A_1: INTERAKCE FOTONŮ: FOTOEFEKT •interakcí je celá řada, mezi nejdůležitější patří: 1.FOTOELEKTRICKÝ JEV – FOTOEFEKT •foton ( g) narazí na e-, ten ho absorbuje a jeho energii převede na zvýšení své energie → jeho vytržení z elektronového obalu •typické pro nízkoenergetické záření •FE nastává častěji u atomů s  Z, tj. u těžkých atomů (větší pravděpodobnost interakcí s e-) X-ray photon [USEMAP] Photoelectric effect Obsah obrázku osoba, muž, sako Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky 1) Photon particles collide with the atom on metal surface. 2) These particles when collide with electrons transfer their energy to these electrons and , the electron is ejected from the metal surface. The ejected electron is known as Photoelectron. 3) No photoelectron will be emitted if the incident photon‘s energy is less than the work function 4) For the photons with insufficient energy (F), increasing the light intensity leads to higher photoelectron emission, but the photoelectron energy does not increase 6) Kinetic energy of photoelectrons increases only with decreasing frequency (increasing energy) of incident photons Albert Einstein (1879 – 1955) 2A_2: INTERAKCE FOTONŮ •2A_2. COMPTONŮV ROZPTYL •obdoba fotoefektu ale na vyražení e- z elektronového obalu je spotřebována jen část energie fotonu. •Zbytek energie je vyzářen ve formě fotonu s nižší energií než měl původní foton (tj. energii poníženou o energii předanou emitovanému elektronu) •Typická interakce pro fotony s E = 200 keV – 2 MeV Interakce-Radiace compton_effect [USEMAP] INTERAKCE FOTONŮ •2A_3. TVORBA ELEKTRON-POZITRONOVÉHO PÁRU •Foton se v blízkosti jádra (nabité částice) zhmotní v elektron a pozitron (opačný proces k ANIHILACI pozitronu) à přeměna energie v hmotu •Podmínkou je, že energie fotonu musí být větší než 1.02 MeV (2 x 0.511 MeV) (nejnižší možná energie e-), •Pozitron následně anihiluje s e- v okolí •typicky však >2 MeV (pro  E dominantní proces) • • • • [USEMAP] Obsah obrázku diagram Popis byl vytvořen automaticky INTERAKCE FOTONŮ 2A_4: FOTOJADERNÉ REAKCE foton g po absorbci jádrem vyvolá emisi n0, p+, případně i většího počtu částic • + další méně významné interakce [USEMAP] History of an incident photon: In this figure, the path length of photons are thin lines while the path of electrons are heavy lines. In this example, four different electrons and a Bremsstrahlung x-ray are set into motion by a single initial photon. KERMA is the sum of the kinetic energies of these electrons set into motion by the initial photon. All of these secondary electrons will go on to produce ionizations and excitations. The energy deposited by these secondary electrons is dose and the energy deposition will tend to occur deeper than the KERMA transfer. 2B: INTERAKCE NEUTRONŮ Bez náboje – interagují proto pouze s jádry atomů, do kterých navíc díky této neutralitě mohou pronikat [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ •2B_1: ROZPTYL NEUTRONU NA JÁDŘE •2B_1A: PRUŽNÝ ROZPTYL (n,n) •K PR dochází na velmi malých jádrech, která se svou velikostí blíží neutronu (nejúčinnější jsou v tomto směru tedy jádra vodíku = 1p+) •Neutron předá část své energie jádru a odražený pokračuje dále se zbytkem energie (zjednodušeně se jedná o obdobu srážky dvou kulečníkových koulí) •Energie, předaná neutronem jádru se celá přemění na kinetickou energii jádra („rozkmitá ho“). •Děj pokračuje dokud se neutron nezpomalí natolik, že může být absorbován jádrem. •PR tak způsobuje zpomalení (moderaci) neutronů, jíž se využívá při stínění neutronů a v atomových reaktorech za účelem podpory jaderné reakce. [USEMAP] Obsah obrázku kulečníková koule, kulečníkový stůl, kulečníková herna, sport Popis byl vytvořen automaticky Hydrogen atom on white background Royalty Free Vector Image INTERAKCE NEUTRONŮ •2B_1: ROZPTYL NEUTRONU NA JÁDŘE 2B_1B: NEPRUŽNÝ ROZPTYL (n, n´) •K nepružnému rozptylu dochází na rozdíl od PR na jádrech těžkých prvků •Neutron, obdobně jako při pružném rozptylu, předá část své kinetické energie jádru a jako zpomalený pokračuje dál. Vzhledem k poměru hmotností n0 a těžkých jader je však zpomalení n0 méně účinné než při PR •Část energie předané neutronem jádru se opět přemění na kinetickou energii jádra, zároveň se ale jádro excituje (zvýší se potenciální energie), což následně vede k vyzáření fotonu γ [USEMAP] 2B_2: INTERAKCE NEUTRONŮ: ZÁCHYT NEUTRONU JÁDREM •2B_2.1: RADIAČNÍ ZÁCHYT NEUTRONU (n,g) •n0 je zachycen jádrem a jeho energie se předá jádru ve formě zvýšení jeho potenciální energie. •K deexcitaci jádra pak dochází vyzářením fotonu g •jádro se přemění na nuklid s N+1, ten může být stabilní nebo radioaktivní • [USEMAP] INTERAKCE NEUTRONŮ •2B_2: ZÁCHYT NEUTRONU JÁDREM [USEMAP] 2B_2.2: Neutronové jaderné reakce s emisí nabitých částic n0 je zachycen jádrem ze kterého je emitována částice (alfa, p+, n0 + p+ apod.) 2B_2.3: ŠTĚPENÍ JADER (n,f) n0 je zachycen jádrem, které se následně rozštěpí na dvě přibližně stejně velké částice, které jsou vždy radioaktivní INTERAKCE NEUTRONŮ [USEMAP] RADIAČNÍ BIOFYZIKA Martin Falk BFU AVCR Brno Email: falk@ibp.cz Tel.: 728-084060 VELIČINY a JEDNOTKY [USEMAP]