samenvatting interactie ioniserende straling materie

ioniserende straling
samenvatting
interactie
ioniserende straling
materie
• 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
Sytze Brandenburg
sb/RadSaf2005/1
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
sb/RadSaf2005/2
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
afscherming
ioniserende straling
Sytze Brandenburg
sb/RadSaf2005/5
ioniserende straling
sb/RadSaf2005/6
α-deeltjes
103
• α-deeltjes
102
dracht [mm]
• electronen en positronen
• electromagnetische straling
• Röntgen-straling (atomaire proces)
• remstraling (afremmen van electronen in materiaal)
• γ-straling (nucleair proces)
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/RadSaf2005/7
sb/RadSaf2005/8
electronen en β-deeltjes
electronen
• dracht bepaald door Emax β-deeltjes
• 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
)
(
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
Ee [MeV]
electro-magnetische straling
• interactie drie processen
• foto-electrisch effect
• Compton-verstrooiing
• paarvorming
• kans op “overleven” > 0
• oorspronkelijke foton verlaat materiaal
• afhankelijk van dikte materiaal
100
101
sb/RadSaf2005/10
foto-electrisch effect
• foton staat volledige energie af aan electron
• secundaire straling
• electron
• Röntgen-straling
• Auger-electronen
fo to n E f
sb/RadSaf2005/11
sb/RadSaf2005/12
e-
Compton verstrooiing
paarvorming
• foton omgezet in electron-positron paar
• fotonenergie gedeeld
• electron
• foton met lagere energie
• secundaire straling
• electron
• foton met lagere energie
• Röntgen-straling
• Auger-electronen
• secundaire straling
• electron en positron
• annihilatiestraling
twee fotonen met Ef = 511 keV
fo to n E f '
e+
θ
e-
fo to n E f
sb/RadSaf2005/13
fo to n E f
e-
smalle bundel geometrie
sb/RadSaf2005/14
smalle bundel geometrie
• lineïeke kans op wisselwerking
• massieke kans op wisselwerking
µ [1/cm]
µ/ρ [cm2/g]
• 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)
• aantal “ongeschonden” doorgelaten fotonen
Nt ( d) = Nt ( 0 ) exp( −µd)
Nt(d)
detector
gecollimeerde
bron
sb/RadSaf2005/15
detector
Compton
annihilatie
afscherming
gecollimeerde
bron
sb/RadSaf2005/16
brede bundel geometrie
brede bundel geometrie
Compton
annihilatie
detector
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
modellering build-up
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/RadSaf2005/18
build-up: voorbeelden
transmissie
• 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
afscherming
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
build-up: waarden
materiaal
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
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
10
29.1
18.7
11.4
19.2
16.2
10.9
2.27
3.74
4.84
sb/RadSaf2005/22
wisselwerking fotonen
afstand tot de bron
104
103
water
lood
102
101
•
•
•
•
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
100
R2
10-1
Φ1 R22
=
Φ 2 R12
10-2
10-3
10-3
10-2
10-1
100
101
102
Ef [MeV]
R1
• beste afscherming door materiaal met hoge Z: lood
sb/RadSaf2005/23
15
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
µ/ρ [cm2/g]
-9
2.1 x 10
98.3
50.6
25.7
55.6
42.7
25.1
2.73
5.86
9.00
sb/RadSaf2005/24
20
98.3
50.6
25.7
55.6
42.7
25.1
2.73
5.86
9.00
reflectie
reflectie
• afscherming niet alzijdig
• reflectie aan de wanden van de ruimte
Rontgenbuis
detector
strooistraling
vloer
sb/RadSaf2005/25
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
sb/RadSaf2005/26