JONIZUJUĆA ZRAČENJA Iphysics.kg.ac.rs/stari/content/Xtqqf3rn4l.pdf · poredjenju sa starošću...
Transcript of JONIZUJUĆA ZRAČENJA Iphysics.kg.ac.rs/stari/content/Xtqqf3rn4l.pdf · poredjenju sa starošću...
JONIZUJUĆA ZRAČENJA I
RADIOAKTIVNOST
Najopštije rečeno, pod zračenjem se
podrazumeva zračenje
prirodnog i veštačkog porekla.
Zračenje se klasifikuje u dve glavne
kategorije: nejonizujuće i jonizujuće, u
zavisnosti od sposobnosti da jonizuje
materiju. Jonizacioni potencijal atoma, tj.
minimalna energija koja može da izvrši
jonizaciju atoma, je u opsegu nekoliko eV
za alkalne elemente do 24.5 eV za helijum.
Nejonizujuće zračenje ne može da jonizuje
materiju, dok jonizujuće zračenje vrši
jonizaciju materije direktno ili indirektno
Prirodno zračenje Prirodno zračenje se prema poreklu može grupisati u
tri grupe, prema poreklu i to :
· kosmičko zračenje, koje potiče od Sunca i iz kosmičkog prostora i sastoji se od vrlo brzih naelektrisanih elementarnih i drugih čestica;
· kosmogeni radionuklidi koji se stvaraju dejstvom kosmičkog zračenja i atoma u atmosferi, na primer 14C i
· primordijalni praiskonski radionuklidi koji su stvoreni u trenutku stvaranja kosmosa, ali je njihovo vreme poluraspada toliko veliko da se nisu raspali do sada. To su radionuklidi koji pripadaju prirodnim radioaktivnim serijama i 40K.
Jedna od komponenti zračenja iz prirode je
RADON (radionuklid, plemeniti gas).
Radioaktivni niz 238U je izvor radona 222Rn,
koji nastaje raspadom radijumovih jezgara, 226Ra.
Za ljudsku populaciju, merenja radona imaju ključnu
ulogu u monitoringu ljudskog zdravlja i
bezbednosti u zatvorenim prostorijama, (222Rn).
Sva tri prirodna radioaktivna niza sadrže po jedan izotop radona;
u nizu 232Th je 220Rn (Toron),
dok je u nizu 235U izotop 219Rn (Aktinon).
234 U
7,73 . 10 12 s
(2,45 . 10 5 god)
238 U
1,41 . 10 17 s
(4,47 . 10 9 god)
234 Pa
70,8 s
(1,18 min)
234 Th
2,08 . 10 6 s
(24,1 dan)
230 Th
2,43 . 10 12 s
(7,70 . 10 4 god)
226 Ra
5,05 . 10 10 s
(1,60 . 10 3 god)
222 Rn
3,30 . 10 5 s
(3,82 dana)
218 Po
183,00 s
(3,05 min)
214 Pb
1608,0 s
(26,8 min)
214 Bi
1182,0 s
(19,7 min)
214 Po
1,64 . 10 -4 s
210 Pb
7,03 . 10 8 s
(22,3 god)
oSlika 1.1 Uranov niz
232 Th
4,42 . 10 17 s
(1,40 . 10 10 god)
228 Th
6,02 . 10 7 s
(1,91 god)
228 Ac
2,21 . 10 4 s
(6,13 h)
228 Ra
1,81 . 10 8 s
(5,75 god)
224 Ra
3,16 . 10 5 s
(3,66 dana)
220 Rn
55,6 s
216 Po
0,15 s
212 Pb
3,82 . 10 4 s
(10,6 h)
208 Tl
184,2 s
(3,07 min)
212 Bi
3,64 . 10 3 s
(60,6 min)
212 Po
0,305 s
208 Pb
(stabilan)
oSlika 1.2 Torijumov niz
235 U
2,22 . 10 16 s
(7,04 . 10 8 god)
227 Th
1,62 . 10 6 s
(18,7 dana)
231 Pa
1,03 . 10 12 s
(3,28 . 10 4 god)
231 Th
9,18 . 10 4 s
(25,5 h)
223 Ra
9,85 . 10 5 s
(11,4 dana)
219 Rn
3,96 s
215 Po
1,78 . 10 -3 s
211 Pb 2166 s
(36,1 min)
207 Tl
286,2 s
(4,77 min)
211 Bi
128,4 s
(2,14 min)
207 Pb
(stabilan)
227 Ac
6,88 . 10 8 s
(21,8 god)
oSlika 2.3 Aktinijumov niz
Uz te, docnije je veštački formirana
neptunska familija. Nizovi koje se javljaju u
prirodi nastaju od jezgara čiji je život dug u
poredjenju sa starošću Zemlje. Neptun ima
relativno kratak život, ali je najduže živeći
član toga niza. Svaki se niz završava
stabilnim izotopom, koji je u stvari krajnji
član; polazni i krajnji članovi nizova su dati
u tabeli 1. Prirodni radioaktivni nizovi se
završavaju izotopima olova.
Ime niza Maseni broj Polazno
jezgro
Poluživot Krajnji član
Torijumski 4n 232 Th 1.4×1010 208Pb
Uransko-
radijumski 4n + 2 238U 4.5×109 206Pb
Uransko-
aktinijumski 4n + 3 235U 7.2×108 207Pb
Neptunski 4n + 1 237Np 2.2×106 209Bi
oTabela 1. Polazni i krajnji članovi radioaktivnih nizova
земаљски извори су одговорни за највећи
део човекове изложености природном
зрачењу (Слика 1.1).
1.26
0.390.48
0.29
0.600.01
Радон Космичко
зрачење
Спољашње,
из земљишта
Унесено
у организам
Медицинско Остало
oСлика 1. Дозе зрачења које прима становништво из различитих извора UNSCEAR[1] 2008
o
mSv
o[1] Научни комитет Уједињених нација о ефектима атомског зрачења
o(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation)
Na osnovu izveštaja međunarodnih
organizacija za radijaciju, ukupna godišnja
efektivna ekvivalentna doza stanovništva je
procenjena na 2.4 mSv
Može se videti da izrazito najveću dozu (40
% ukupne doze) opšta populacija primi od
radona i njegovih potomaka, i to putem
inhalacije, što ima direktno dejstvo na
respiratorni sistem.
Rn
33 . 10 4 s
Po
183 s
Pb
1608 s
Bi
1182 s
Po
164 . 10 -6 s
Pb
7 . 10 8 s
Atomskibroj
222
218
214
210
oSlika 2.5 Pojednostavljena šema raspada 222Rn
Raspadom jezgara 222Rn nastaju
kratkoživeći radonovi potomci: 218Po
(RaA), 214Pb (RaB), 214Bi (RaC) i 214Po
(RaC'). Dugoživeći 210Pb se ne uzima u
obzir. Najveći deo doze koju čovek,
odnosno njegov respiratorni trakt, primi od
udahnutog radona (222Rn), ne potiče od
samog gasa radona, već od njegovih
kratkoživećih potomaka.
• Slika 2. Karta doza za opštu populaciju
Veštačko zračenje
Veštačko zračenje je zračenje čija se
proizvodnja zasniva na nuklearnim
reakcijama . Pod ovim imenom
podrazumevaju se sve pojave u kojima
jedno jezgro reaguje sa drugim jezgrom,
elementarnom česticom ili gama fotonom
Jonizujuće zračenje
Neposredno jonizujuće zračenje su naelektrisane čestice (elektroni, protoni , alfa čestice ... ) koje mogu da proizvedu jonizaciju sudarom.
Posredno jonizujuće čestice su nenaelektrisane čestice (neutroni, x i gama zraci) koje mogu da oslobode neposredno jonizujuće čestice ili da izazovu nuklearnu transformaciju.
Jonizujuće zračenje je zračenje koje se sastoji od posredno ili neposredno jonizujućih čestica ili njihove smeše.
Spoljašnje, unutrašnje i ukupno
ozračivanje Spoljašnje ozračivanje, predstavlja ozračivanje od
izvora zračenja koji se nalaze izvan objekta
ozračivanja.
Unutrašnje ozračivanje, predstavlja ozračivanje od
izvora zračenja koji se nalaze unutar objekta
ozračivanja.
Ukupno ozračivanje, predstavlja ozračivanje
objekta pod dejstvom zračenja koje potiče od
spoljašnjih i unutrašnjih izvora
Ravnoteža naelektrisanih čestica
Akt deponovanja energije je predavanje energije u
posmatranoj masi od strane jonizujućih čestica koje se
nalaze u međusobnoj korelaciji.
Ravnoteža naelektrisanih čestica, predstavlja stanje pri
kome je svaka naelektrisana čestica određene energije, koja
napusti neku posmatranu zapreminu V, zamenjena drugom
identičnom naelektrisanom česticom iste energije. Uslovi
koji treba da budu zadovoljeni da bi se to stanje postiglo
diskutovani su opširno u odgovarajućoj literaturi.
Nuklid, predstavlja vrstu atoma koji ima zadat broj
neutrona i zadat broj protona u svom jezgru.
Radioaktivnost
Radioaktivnost je svojstvo izvesnih vrsta jezgara da sama od sebe prelaze u druga jezgra.
Za ova jezgra se kaže da su radioaktivna
Jezgra koja nemaju ovo svojstvo su stabilna.
Proces prelaska radioaktivnog jezgra u drugo naziva se radioaktivni raspad.
Radioaktivnost se pojavljuje kod onih jezgara gde je nepovoljan odnos broja protona prema neutronima ili jezgro ima dinamičku nestabilnost
o Otkriće radioaktivnosti i izdvajanje radijuma 1896. Becquerel je proučavao luminiscenciju uranovih soli
njihovim ekscitovanjem prirodnom svetlošću.
Primetio je da luminiscentno zračenje stvara senku neprovidnih
predmeta koja se mogla zabeležiti na fotografskoj ploči
uvijenoj u crnu hartiju.
Spontana emisija zračenja ili radioaktivnost je
osobina samog uranovog atoma u njegovom normalnom stanju.
Po objavljivanju Becquerelovog rada, Pierre i Marie Curie
su ispitali mnoge druge elemente
Dobijen prvi novi radioaktivni element kome je po Poljskoj,
zavičaju Marije Curie, dato ime polonijum.
Cirrievi su nastavili svoj rad na izdvajanju i našli jedan drugi vrlo aktivan
element, koji se hemijski ponašao vrlo slično barijumu i dali mu ime
radijum.
Za radijum je nadjeno da je nekoliko miliona puta aktivniji od urana (iste težinske količine).
Atomska težina polonijuma je odredjena i iznosila je 225,
dok su docnija merenja pokazala da je maseni broj radijuma 226, a poluživot 1622 godine.
Oko 1897 godine zračenje urana je privuklo pažnju Rutherforda, koji je bio profesor na univerzitetu u Montrealu (1898-1907) i bavio se izučavanjem
rasioaktivnosti.
Cuirie i Rutherford su svojim prvim eksperimentima pokazali da zračenje
iz radioaktivnih elemenata sadrži komponente raznih moći prodiranja na osnovu
apsorpcije zračenja u materijalu.
Zakon radioaktivnog raspada
Ako u trenutku t=0 u radioaktivnom izvoru postoji N0 atoma datog radioizotopa
sa vremenom poluraspada T1/2
postavlja se pitanje kojim će se tempom ovaj broj smanjivati kako vreme protiče.
-Vreme poluraspada je vreme za koje količina nekog radioaktivnog materijala opadne na polovinu.
Zakon radioaktivnog raspada pokazuje koliki će broj atoma početnog
radioizotopa ostati neraspadnut u izvoru po isteku vremena t od početka
posmatranja.
teNtN 0
konstanta raspada-,
Kao karakteristika brzine raspada uvodi se
21
2ln
T
Konstanta raspada govori o tome kolika je verovatnoća raspada jezgra u jedinici vremena.
Jedinica konstante raspada je s-1.
Grafički prikaz ovog zakona dat je na slici.
Aktivnost radioaktivnog izvora
Broj raspada koji se u radioaktivnom izvoru desi u jedinici vremena naziva se
aktivnost izvora.
Aktivnost izvora zavisi od dve veličine:
-što je veći broj još neraspadnutih jezgara , biće veći i broj raspada u jedinici vremena;
-što je vreme poluraspada izotopa manje, tempo raspada biće brži i
broj raspada u jedinici vremena biće veći.
Aktivnost izvora u funkciji vremena jednaka je:
tt eAeNtNT
tNtA 00
21
2ln
00 NA je početna aktivnost izvora
Jedinica za aktivnost radioaktivnih izvora u medjunarodnom sistemu jedinica (SI)
je bekerel Bq.
Aktivnost od 1 Bq ima onaj izvor u kome se u jednoj sekundi dešava jedan raspad.
Medjutim u praksi se sreće i vansistemska jedinica za aktivnost, kiri Ci.
Aktivnost od 1Ci ima onaj izvor u kome se u jednoj sekundi dešava 3.7 ×1010 raspada:
1 Ci = 3.7 ×1010 Bq ili
1 mCi = 37 MBq
Vrste radioaktivnog zračenja
Radioaktivna zračenja možemo podeliti u dve
osnovne grupe:
Čestice i
Elektromagnetska zračenja
Pod česticama se ovde podrazumevaju
mikrosistemi karakterisani masom. To
mogu da budu ili elementarene čestice kao
čto su nukleoni i elektroni ili sistemi
složeni iz iz više takvih čestica.
Elektromagnetsko zračenje se razlikuje od
čestica po tome što nema masu. U sebi
ujedinjuje dva aspekta talasni i čestični.
Osnovne čestice, njihove interakcije i zakoni očuvanja
Pod osnovnim česticama fizike smatraju se one čestice koje nemaju očiglednu podstrukturu.
Elektron e, e-
Elektroni su medju sobom apsolutno identični. To su stabilne elementarne čestice.
Masa elektrona u miru iznosi me=9.1 ×10-31 kg, i to su najlakše čestice
od svih onih koje poseduju masu kao svoju primarnu karakteristiku.
Naelektrisanje elektrona naziva se elementarno naelektrisanje:
e=1.6 ×10-19 C
Naelektrisanje koje poseduje elektron uslovno se naziva negativnim.
Proton p
Protoni su takodje stabilni. Masa protona u miru iznosi mp=1.6724 ×10-27 kg,
te su oni oko 2000 puta veće mase od elektrona.
Oni spadaju u grupu tzv. teških elementarnih čestica
Naelektrisanje protona je takodje elememntarno, ali je pozitivno.
Neutron n
Masa neutrona u miru veoma je bliska masi protona, ali je nešto veća i
iznosi mn=1.6748 ×10-27 kg. Naelektrisanje neutrona jednako je nuli,
to su neutralne čestice. Zajedničkim imenom protoni i neutroni se nazivaju nukleoni.
Slobodni neutroni su nestabilni; usamljeni neutron se spontano raspada u
proton, elektron i neutrino. Vreme poluraspada slobodnog neutrona iznosi oko 10 minuta,
pa slobodnih neutrona u prirodi nema.
Pozitron e+
Masa pozitrona jednaka je masi elektrona.
Naelektrisanje je jednako elementarnom, ali je pozitivno.
U procesu anihilacije sporog pozitrona i elektrona emituju se
dva fotona energije po 511 keV (anihilaciono zračenje).
Pozitroni se inače emituju i iz procesa + raspada.
Neutrino
Masa mirovanja neutrina jednaka je nuli i on nema naelektrisanje.
Neutrino je stabilan i jednom stvoren,
više praktično ne interaguje sa materijom.
On se emituje u svim tipovima procesa raspada nestabilnih jezgara
i pri tom odnosi znatan deo energije.
-mezon i mion
To su čestice masa izmedju elektrona i protona koje su važne za teoriju sila jezgra i
za tumačenje fenomena kosmičkog zračenja, respektivno
Foton γ
Foton je kvant elektromagnetnog zračenja.
Po klasičnoj teoriji elektromagnetno zračenje (EM)
se opisuje učestanošću ν koja predstavlja broj promena
električnog i magnetnog polja u
jedinici vremena u oblasti prostora kroz koju se zračenje prostire.
Zračenje se istovremeno opisuje i talasnom dužinom koja predstavlja
najmanje prostorno rastojanje izmedju tačaka u kojima se električno
i magnetno polje
menjaju u fazi, tj. u kojima iste vrednosti dostižu u istim trenucima vremena.
Učestanost i talasna dužina su povezani jednostavnom relacijom
obrnute propšorcionalnosti:
s
mc
c
8103
Po kvantnoj teoriji, zračenje date učestanosti se smatra sastavljenim
od identičnih čestica-fotona, pri čemu je energija fotona:
Jsh
hE
3410626.6
gde je h Planck-ova konstanta.
oLos Alamos National Laboratory, an affirmative action/equal opportunity employer, is operated by the Los Alamos National Security, LLC for the
National Nuclear Security Administration of the U.S. Department of Energy under contract DE-AC52-06NA25396. By acceptance of this article, the
publisher recognizes that the U.S. Government retains a nonexclusive, royalty-free license to publish or reproduce the published form of this
contribution, or to allow others to do so, for U.S. Government purposes. Los Alamos National Laboratory requests that the publisher identify this article
as work performed under the auspices of the U.S. Department of Energy. Los Alamos National Laboratory strongly supports academic freedom and a
researcher’s right to publish; as an institution, however, the Laboratory does not endorse the viewpoint of a publication or guarantee its technical
correctness.
oForm 836 (7/06)
oTitle
:
oAuthor(s)
:
oIntended
for:
oLA-UR-07-2777 oApproved for public release;
distribution is unlimited.
oMCNP Medical Physics Database
oTim Goorley
oX-3 MCC, Los Alamos National Laboratory
oAmerican Nuclear Society
Summer Meeting
oBoston, MA, June 24-28, 2007
MCNP Medical
Physics
Geometry
Database oAbstract:
oWith the growing interest in using MCNP for medical physics calculations,
demand has been increasing for geometric models which represent various
portions of the human body. This database of analytical and voxelized
(possibly based on CT data) geometries, in mcnp input deck form, would help
to meet that need. They could be used for organ-specific dose calculations,
code comparisons, or geometric representation studies. Contributions to this
database are welcome. For more information, contact [email protected].
oLA-UR-04-8518, LA-UR-05-6921, LA-UR-06-8172, LA-UR-
07-2777
Cub
es • Tissue or Water cubes
• Same total size,
different voxel sizes
• Uses lattice geometry
Snyder HP -
Analytical • Snyder head phantom
w/ scalp
• Analytical geometry
• 3 materials
• Tallies along z-axis
Snyder HP -
Voxel • Snyder head phantom w/
scalp
• Voxel/Lattice geometry
• 4, 8, or 16 mm cubes
• Homogenized Materials
MIRD12
(ORNL) • ORNL 1996
• 35 discrete cells
• 3 mats (soft, bone, lung)
MIRD
(Yanch) • MIRD Like
• MCAT Phantom + 5
organs
• 60 discrete cells
• 3 mats (soft, bone, lung)
• Prof. Yanch, MIT
MIRD
Human
s • Male, Female
• Children: 1, 5, 10, 15
• 40+ discrete cells
• 3 Materials
• D. Krstic and D. Nikezic,
oU. of Kragujevac, Serbia
Bottle
Phanto
m • Markus Schlagbauer
• Austrian Research Centers
Seibersdorf
• Analytical Geometry
• Useful to compare to direct
measurements (if you have
the phantom)
Zubal
Phantom • Voxel Phantom of Head
• 85 x 109 x 120 voxels
• 2.2 x 2.2 x 1.4 mm3
• 25 Brain structure tallies
• 15 materials
• Jeff Evans, Ohio State
Male Pelvis
Phantom • Voxel Phantom of male
pelvis
• 128 x 128 x 75 voxels
• 3.9 x 3.9 x 3.0 mm3
• 5 materials
• By Mark Wyatt ([email protected])
• Converted using MCNPTV
VIP-
Man • Voxel Phantom of VIP-
Man head and upper
torso
• 147 x 86 x 105 voxels
• 2 x 2 x 2 mm
• 41 materials / organs
• By George Xu, RPI
VIP Man • Whole Body Phantom
• Based on NIH VIP-Man Project
• 6, 100, 300 Million Voxel Models
• 1 or 4 mm3
• Available from Prof. Xu of RPI – not in
this database
o http://www.rpi.edu/dept/radsafe/public_html/home.htm
QUADO
S • 5 Input decks submitted to the European MP code intercomparison (QUADOS) by MCNP team summer student Alex Redd. http://www.nea.fr/download/quados/quados.html