samenvatting interactie ioniserende straling materie

samenvatting
interactie
ioniserende straling
materie
Sytze Brandenburg
sb/RadSaf2005/1
ioniserende straling
• geladen deeltjes
• α-deeltjes
• electronen en positronen
• electromagnetische straling
• Röntgenstaling (afkomstig uit atoom; E < 100 keV)
• γ-straling (afkomstig uit atoomkern; E < 10 MeV )
• remstraling (interactie electronen - materiaal)
• neutronen via kernreacties
sb/RadSaf2005/2
geladen deeltjes
• wisselwerking voornamelijk met electronen in materiaal
• dracht is gedefinieerd
· bij een gegeven begin-energie is er een materiaaldikte
die geen enkel deeltje doorlaat
• α-deeltjes: botsingen met kleine energieafgifte
• gelijkmatig afremmen; wrijving
• indringdiepte goed gedefinieerd
· plotselinge afname doorgelaten fractie
• electronen en positronen
• sterke variatie energieafgifte in botsingen
• grote verandering richting mogelijk
• terugverstrooiing
• geleidelijke afname doorgelaten fractie
• productie van remstraling
sb/RadSaf2005/3
electromagnetische straling
• dracht niet gedefinieerd
• kans op “ongeschonden” transmissie altijd > 0
• neemt exponentieel af met dikte
• drie mechanismen voor wisselwerking
• foto-electrisch effect
• totale energie overgedragen aan electron
• vooral lage energie en materiaal met hoge Z
• Compton effect
• deel energie overgedragen aan electron
• resterende energie als “nieuw” foton met andere richting
• onafhankelijk van Z
• paarvorming
• totale energie omgezet in electron + positron
• hoge energie ( E > 1.022 MeV) en materiaal met hoge Z
• annihilatie-straling (twee fotonen met E = 511 keV)
sb/RadSaf2005/4
werkzame doorsnede
• kans op interactie kan geïnterpreteerd worden als effectief
oppervlak van electronen en atomen
• lineïeke interactiekans µ:
eenheid 1/cm
• dichtheid electronen/atomen N:
eenheid 1/cm3
• interactiekans per electron/atoom σ = µ/N: eenheid cm2
sb/RadSaf2005/5
afscherming
ioniserende straling
Sytze Brandenburg
sb/RadSaf2005/6
ioniserende straling
• α-deeltjes
• electronen en positronen
• electromagnetische straling
• Röntgen-straling (atomaire proces)
• remstraling (afremmen van electronen in materiaal)
• γ-straling (nucleair proces)
sb/RadSaf2005/7
α-deeltjes
103
dracht [mm]
102
101
lucht
perspex
100
10-1
10-2
10-3
0
2
4
6
8
10
Eα [MeV]
• in lucht bij benadering R = 0.3 E1.5 (R in cm; E in MeV)
• afscherming geen enkel probleem:
< 1mm perspex etc. ruimschoots voldoende
• ρperspex ≈ 1000 ρlucht
sb/RadSaf2005/8
electronen en β-deeltjes
• dracht bepaald door Emax β-deeltjes
)
(
2
• lage energie ρR = 0.11 1 + 22.4Emax
− 1 (Flammersfeld)
• hoge energie ρR = 0.5 Emax
101
ρR [g/cm2]
100
ρR = 1/2E
Flammersfeld formula
aluminium
10-1
10-2
10-3
10-2
sb/RadSaf2005/9
10-1
100
Ee [MeV]
electronen
• pure β--bron
• remstraling: materiaal met lage Z (bijv. perspex)
• dikte ~ 5 Emax [mm]; Emax in MeV (ρperspex ~ 1 g/cm2)
• (β- + γ)- en β+-bron
• eerst materiaal met lage Z voor electronen/positronen
• daarna afscherming voor γ-straling
sb/RadSaf2005/10
101
electro-magnetische straling
• interactie drie processen
• foto-electrisch effect
• Compton-verstrooiing
• paarvorming
• kans op “overleven” > 0
• oorspronkelijke foton verlaat materiaal
• afhankelijk van dikte materiaal
sb/RadSaf2005/11
foto-electrisch effect
• foton staat volledige energie af aan electron
• secundaire straling
• electron
• Röntgen-straling
• Auger-electronen
fo to n E f
sb/RadSaf2005/12
e-
Compton verstrooiing
• fotonenergie gedeeld
• electron
• foton met lagere energie
• secundaire straling
• electron
• foton met lagere energie
• Röntgen-straling
• Auger-electronen
fo to n E f '
θ
fo to n E f
sb/RadSaf2005/13
paarvorming
• foton omgezet in electron-positron paar
• secundaire straling
• electron en positron
• annihilatiestraling
twee fotonen met Ef = 511 keV
e+
fo to n E f
esb/RadSaf2005/14
e-
smalle bundel geometrie
• lineïeke kans op wisselwerking
• massieke kans op wisselwerking
µ [1/cm]
µ/ρ [cm2/g]
• aantal “ongeschonden” doorgelaten fotonen
Nt ( d) = Nt ( 0 ) exp( −µd)
Nt(d)
detector
gecollimeerde
bron
Compton
annihilatie
afscherming
sb/RadSaf2005/15
smalle bundel geometrie
• lineïeke kans op wisselwerking
• massieke kans op wisselwerking
µ [1/cm]
µ/ρ [cm2/g]
• aantal “ongeschonden” doorgelaten fotonen
Nt ( d) = Nt ( 0 ) exp( −µd)
Nt(d)
detector
gecollimeerde
bron
sb/RadSaf2005/16
brede bundel geometrie
detector
niet-gecollimeerde
bron
• detector “ziet” ook fotonen die in afscherming
• gecreërd zijn (Röntgen-straling, annihilatie fotonen)
• van richting veranderd zijn (Compton verstrooiing)
· hogere intensiteit dan in smalle bundel geometrie: build-up
sb/RadSaf2005/17
brede bundel geometrie
Compton
annihilatie
detector
niet-gecollimeerde
bron
afscherming
• detector “ziet” ook fotonen die in afscherming
• gecreërd zijn (Röntgen-straling, annihilatie fotonen)
• van richting veranderd zijn (Compton verstrooiing)
· hogere intensiteit dan in smalle bundel geometrie: build-up
sb/RadSaf2005/18
modellering build-up
• dosis D: in materiaal geabsorbeerde energie van fotonen
evenredig met aantal door afscherming doorgelaten fotonen...
ook beïnvloed door in afscherming verstrooide fotonen
• smalle bundel geometrie: geen verstrooide fotonen
Nt ( d ) = Nt ( 0 ) exp( −µd)
Dt ( d ) = Dt ( 0 ) exp( −µd)
• brede bundel geometrie: ook verstrooide fotonen
Dt ( d ) = Dt ( 0 ) B (E f ,mat, µd) exp( −µd)
B(µd): build-up factor > 1
afhankelijk van materiaal en oorspronkelijke foton-energie
extra dosis gevolg van Compton-fotonen en annihilatie-fotonen
die ook geabsorbeerd worden
sb/RadSaf2005/19
transmissie
build-up: voorbeelden
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
smalle bundel
0.5 MeV water
3 MeV water
0.5 MeV lood
3 MeV lood
0
5
10
µd
15
• materiaal- en energieafhankelijkheid smalle bundel in µd
• B(Ef, mat, µd): build-up factor > 1
afhankelijk van materiaal en oorspronkelijke foton energie
• door build-up effect meer afscherming nodig
sb/RadSaf2005/20
build-up: waarden
materiaal
beton
ijzer
lood
E
[MeV]
0.5
1.0
2.0
0.5
1.0
2.0
0.5
1.0
2.0
exp(-µd)
0.368
2.18
1.95
1.75
1.98
1.87
1.76
1.24
1.36
1.39
0.135
3.66
2.60
2.52
3.09
2.89
2.43
1.42
1.69
1.76
0.018
7.72
5.98
4.38
5.98
5.39
4.13
1.69
2.26
2.51
9.1 x 10
16.5
11.6
7.75
11.7
10.2
7.25
2,00
3.02
3.66
-4
-5
4.5 x 10
29.1
18.7
11.4
19.2
16.2
10.9
2.27
3.74
4.84
-7
3.1 x10
58.1
33.1
18.2
35.4
28.3
17.6
2.65
4.81
6.87
• verstrooide straling domineert dosis bij
• dikke afscherming (grote waarde µd)
• materialen met lage Z
sb/RadSaf2005/21
build-up: waarden
materiaal
beton
ijzer
lood
E
[MeV]
0.5
1.0
2.0
0.5
1.0
2.0
0.5
1.0
2.0
µd
1
2.18
1.95
1.75
1.98
1.87
1.76
1.24
1.36
1.39
2
3.66
2.60
2.52
3.09
2.89
2.43
1.42
1.69
1.76
4
7.72
5.98
4.38
5.98
5.39
4.13
1.69
2.26
2.51
7
16.5
11.6
7.75
11.7
10.2
7.25
2,00
3.02
3.66
• verstrooide straling domineert dosis bij
• dikke afscherming (grote waarde µd)
• materialen met lage Z
sb/RadSaf2005/22
10
29.1
18.7
11.4
19.2
16.2
10.9
2.27
3.74
4.84
15
58.1
33.1
18.2
35.4
28.3
17.6
2.65
4.81
6.87
-9
2.1 x 10
98.3
50.6
25.7
55.6
42.7
25.1
2.73
5.86
9.00
20
98.3
50.6
25.7
55.6
42.7
25.1
2.73
5.86
9.00
wisselwerking fotonen
104
103
water
lood
µ/ρ [cm2/g]
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-3
10-2
10-1
100
101
102
Ef [MeV]
• beste afscherming door materiaal met hoge Z: lood
sb/RadSaf2005/23
afstand tot de bron
•
•
•
•
N deeltjes/s uit puntbron
bol op afstand R van puntbron
flux Φ door boloppervlak N/4πR2 deeltjes/(m2s)
flux/dosis neemt af met 1/afstand2
R2
Φ1 R22
=
Φ 2 R12
R1
sb/RadSaf2005/24
reflectie
• afscherming niet alzijdig
• reflectie aan de wanden van de ruimte
sb/RadSaf2005/25
reflectie
Rontgenbuis
detector
strooistraling
vloer
sb/RadSaf2005/26
reflectie
• concreet voorbeeld: Röntgen apparaat 100 kV
• vlek op de vloer 500 cm2
• dosistempo op vloer 5 mGy/min
• dosistempo op 2 m afstand 1 m boven de vloer?
• verstrooiingshoek
ϑ = 150° (tanϑ = 1/2)
• gereflecteerde fractie 0.07 % /100 cm2 op 1 m
• afstand
x2 =22 + 12 = 5
• dosistempo
D = 5 x (500/100) x 0.07%/5
= 3.5 µGy/min
=210 µGy/uur
sb/RadSaf2005/27