1-Introduktion - Atomic Physics...Isotop • ‘iso’ betyder samma • ‘top’ betyder plats i...
Transcript of 1-Introduktion - Atomic Physics...Isotop • ‘iso’ betyder samma • ‘top’ betyder plats i...
2013-02-07
1
Introduktion till strålningens växelverkan.
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 2
Atomen och atomkärnanRadioaktivt sönderfall
auger‐elektronerRöntgen‐strålning
Radioaktiv strålning
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 3
Användande av strålning
EnergimottagareMänniskans vävnad
Enskilda cellerMätinstrument
Strålskärm
EnergiavgivareRadioaktivt ämneRöntgenstrålkälla
Accelerator
Strålning är bärare av energi
- Elektromagnetisk vågrörelse (fotonkvanta)- Partiklar i rörelse
Absorberad energiAbsorberad dos =
massenhet
JGy
kg
2013-02-07
2
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 4
Strålslag som kan användas
Elektromagnetisk strålning• Gamma (strålning från
kärnan)• Röntgen (bromsstrålning)• Annihilationstrålning
Partikelstrålning• Alfa (heliumkärnor)• Positroner (positiva
elektroner)• Beta (elektroner från kärnan)• Elektroner (linjäraccelerator)• Protoner, tunga joner, ……• Neutroner (fission, spallation)
Bild från Marie Curies doktorsavhandling
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 5
Alfa
Elektroner, Beta
Gamma och X-rays
Neutroner
Papper Plast Bly Betong
Strålningens penetrationsförmåga
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 6
Räckvidd hos olika typer av strålning
Alfa-partiklarMånga små energi-överföringar =>små riktningsförändringar (rakt spår) och en väldefinierad räckvidd
Energi: 4 MeV => räckvidd i vatten ca 0.025 mm
I/I0
tjocklek, d
I0I
…………………………………..……………………….…………………………………….
partikelspår
d
2013-02-07
3
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 7
Räckvidd hos olika typer av strålning (forts)
Elektroner (Beta-partiklar)Färre antal större energi-överföringar => stora riktningsförändringar och en inte lika väldefinierad räckvidd.
Energi: 6 MeV => räckvidd i vatten ca 35 mm15 MeV => räckvidd i vatten ca 80 mm
I/I0
tjocklek, d
I0I
partikelspår
d
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 8
Fotoner (röntgen- och gammastrålning)
Man använder inte begreppet räckvidd.
I/I0
tjocklek, d
I0Id
exponentialfunktion
deNN 0
: attenueringskoefficient (1/cm)
Attenuering (uppbromsning) av fotoner
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 9
Transmission av fotonstrålning
Teoretisk kan inte fotonstrålning stoppas helt.
Man använder begreppet halvvärdestjocklek (HVL):Den tjocklek av ett visst material som behövs för att reducera det infallande antalet fotoner till hälften
Strålkvalitet(kV)
BetongHVL (mm)
BlyHVL (mm)
50 4.3 0.06100 10.6 0.27200 25 0.52500 36 3.6
20 000 137 16.320
2013-02-07
4
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 10
+
1V
Elektron
Energi = 0 Energi = 1 eV
Med en elektronvolt (eV) menas den energi en elektron erhåller då den genomlöper en spänningskillnad på 1 volt
Vad är en elektronvolt?
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 11
Elektromagnetiska spektrumet
Våglängd (m) ; Frekvens (s-1) ; Energi (eV)
Icke-joniserandeJoniserande
-1-1 1 1 1
c msf s Hz
m
J eller eVE h f
Fotoner (kvanta)
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 12
Röntgendiagnostik
Icke-joniserandeJoniserande
Elektrontätheten i kroppen
2013-02-07
5
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 13
CT – Computed Tomography (skiktröntgen)
Icke-joniserandeJoniserande
Elektrontätheten i kroppen i 2 och 3D
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 14
Gammakamera
Icke-joniserandeJoniserande
StrumaNormal sköldkörtel
Funktionella undersökningar
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 15
SPECT – Single Photon Emission Tomography
Icke-joniserandeJoniserande
Funktionella undersökningar i 2 och 3D
2013-02-07
6
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 16
PET – Positron Emission Tomography
Icke-joniserandeJoniserande
Annihilationstrålning
511 keV
511 keV
Två fotoner 180 o motriktade
Funktionella undersökningar i 2 och 3D
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 17
Skillnad mellan röntgen och nuklearmedicin?
Röntgenundersökning
Morfologi
Täthetsskillnader
Ser små detaljer
Extern bestrålning(röntgenstrålning)
Nuklearmedicinskundersökning
Funktion
Upptag av spårämne ivävnaden
Kan inte urskilja detaljer
Injektion av en radioaktivlösning
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 18
Strålbehandling
Bromsstrålning
Icke-joniserandeJoniserande
4-18 MV röntgenstrålning
Linjäraccelerator med inbyggd röntgen
Brachyterapi
2013-02-07
7
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 19
Joniserande strålning
Elektroner slås ut från sina atomer
Kemiska bindningar kan förstöras
Skador på celler i vävnad
Elektrisk signal i mottagare
Vid en excitation lyfts en elektron upp i utanförliggande skal
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 20
Strålningsinducerade cell-skador
DNA molekylär skada
Reparation
Biologiska konsekvenser:• Cell‐död• Bestående kromosomskador Nedsatt Funktion Sjukdom, cancer Fel i tillväxt (unga) Genetiska skador
Kromosomskador
Mutation
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 21
Tätheten i energiöverföringen beror på strålslag
GammaRöntgen(fotoner)
BetastrålningElektroner
Alfa (heliumkärnor)ProtonerNeutronerJonfragment
Glesjoniserande
Tätjoniserande
DNA
2013-02-07
8
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 22
Biologiska effekter
Akuta effekter
• Tröskeldos finns
• Över en viss stråldos drabbas alla
• CelldödLinsgrumling
Benmärgsceller
Celldöd
Sena effekter
• Slumpmässiga
• Många saker som ska stämma för att ge effekt
• Cancer• Genetiska effekter
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 23
Akuta effekter
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 24
Sena effekter
Atombomber
• Japanöverlevande• Marshallöbor• Militärer
Medicinsk bestrålning
Yrkesbestrålning
Tjernobyl?
2013-02-07
9
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 25
Radioaktivt sönderfall
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 26
A OZ PX
X betecknar grundämnetA masstalet = summan av antal protoner och neutronerZ atomnumret = antal protoner i kärnanO jonisationstillstånd hos atomen (2+, 3+)
excitationstillstånd hos kärnan (m=metastabilt)P molekylbeteckning (antal atomer / molekyl)N neutrontal (antal neutroner i kärnan, N=A‐Z)
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 27
Nuklid = typ av kärna (entydigt bestämd av A och Z)
Radionuklid = instabil nuklid
Isotop
• ‘iso’ betyder samma• ‘top’ betyder plats i periodiska systemet.• samma Z, olika A• samma kemiska egenskaper, t.ex jod: 108 – 141I
Isoton
• samma N = A-Z:
Isobar
• samma A: 12 12 125 6 7Be, C, N
9 10 11 12 133 3 5 6 7Li, Be, B, C, N, ...
2013-02-07
10
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 28
28
Z
N
Z=N
Data om alla kärnor finns t.ex. iTable of Isotopes
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 29
Lite information
För A<20: NZ, N/Z 1, För A20: Z<N, N/Z 1,5
För stora A är N > Z, extra neutroner krävs för att kompenseraökande Coulombrepulsion
Neutronernas sammanhållande förmåga begränsad
Alla nuklider med Z > 83, N > 126 , A > 209 är instabila.
I naturen finns fördelade 284 stabila nuklider som isotoper av de olikagrundämnena.
Totalt har man funnit c:a 1500 instabila nuklider.
Sönderfaller spontant för att nå fram till stabila neutron‐proton uppsättningar.
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 30
Massdefekt och bindningsenergi
Kärnans massa skiljer sig ifrån summan av massorna hos de ingåendenukleonerna i fritt tillstånd
Massdefekt (mass excess) definieras som:
( ) Ap n ZZ m A Z m M
Δ är positivt för lätta kärnor och för kärnor med A 215, medan det ärnegativt för masstal där i emellan.
mp och mn är vilomassan för en fri proton och en fri neutron och är vilomassan i grundtillståndet för en kärna med Z protoner och (A‐Z) neutroner.
AZM
Bindingsenergin, B ges av massdefektens energiekvivalens: 2B c
2013-02-07
11
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 31
De radioaktiva sönderfallen
α-sönderfall
+ sönderfall (positronsönderfall)
--sönderfall (negatronsönderfall)
elektroninfångning (Electron Capture EC)
Gammaemission
Konversionselektronemission
Karakteristisk röntgenstrålning
Augerelektronemission
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 32
E
Z
moderkärnaXZ
Z+Y*
Z+Y
Z-Y*
Z-Y dotterkärna0
E1
E2
Sönderfallsschema
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 33
Alfasönderfallet
Tunga instabila nuklider ( A > 150 ) övergår spontant ilättare nuklider genom attsända ut en α-partikel
E
0
XAZ
X*A-4Z-2
XA-4Z-2
ZA
Z-2A-4X X + + Q
Q 0
2013-02-07
12
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 34
Alfasönderfallet
E
0
XAZ
X*A-4Z-2
XA-4Z-2
Q fördelas som den kinetiska energin hos α‐partikeln och dotterkärnan (rekylen), samt somdeexcitationsenergi.
MMv
v
d d
2 2
2 2
dd
d d
dd
M v M vQ
M v M v
Mv v
M
Ex. För en α-partikel med Eα = 4 MeV och där Md=228 och Mα=4 får vi att rekylenergin för dotterkärnan blir0.07 MeV.
Alfapartikeln står alltså för 98% av energin och dottern2%.
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 35
Alfasönderfallet
Alfasönderfall sker huvudsakligen i ämnen tyngre än bly (Z=82)
Alfapartikeln är stabil, bindningsenergin = 28 MeV
En α-sönderfallande kärna har ett karakteristiskt spektrum av diskreta α-energier.
Sönderfallsvägen är beroende på typ av kärna:
Jämn Z - jämn NJämn Z - udda N
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 36
Alfasönderfallet
T½ Eα (MeV)
212Po 0.3 μs 8.95211At 7.2 h 5.87241Am 432 y 5.5232Th 1.4 1010 y 4.0144Nd 2.4 1015 y 1.83
T½ varierar med en faktor 1029
Eα variererar med en faktor 4-5
De mest energirika -partiklarna härrör från de moderkärnor som har den kortaste halveringstiden:
2013-02-07
13
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 37
Betasönderfall
-
+
: n p + e +
: p n + e +
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 38
--sönderfallet
I en nuklid med överskott på neutroner
1A AZ Z
n p e
eller
X X Q
E
0
XAZ
X*A
Z+1
XA
Z+1
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 39
Energin delas mellan elektronen och neutrino.
På grund av mycket lågt tvärsnitt för växelverkan ‘försvinner’ neutrinon och är i praktiken inte intressant att beakta.
Beta partikeln kommer att ha en kinetisk energi som har en fördelning upp till max energi
Medelenergi c:a 1/3 av max energin.
2013-02-07
14
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 40
3H
14C
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 41
32P
33P
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 42
14C
3H 32P
33P
2013-02-07
15
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 43
β+-sönderfallet (positronsönderfallet)
I en nuklid med överskott på protoner i förhållande till neutroner
p n e
X X QZA
ZA
1
E
0
XAZ
X*A
Z-1
XA
Z-1
1.02MeV
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 44
18F
68Ga
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 45
Annihilationsstrålning
Efter det att positronenemitterats rör den sig någramm i mediet (och förlorarkontinuerligt sin energi vid nedbromsningen).
Den exciterar och joniserarmediets atomer under någon μs.
I slutet av positronspåretbildas positronium [ e+-e-]
e+-e- -paret förintas 2 stfotoner med hv=0.511 MeV vardera bildas och emitteras180o motriktade.
e+
e+e-
3-4 mm
hv=511keV
hv=511keV
2013-02-07
16
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 46
PET system
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 47
Elektroninfångning EC
Alternativ och konkurrerande process till β+, i en nuklid med protonöverskott
p e n
X e X QZA
ZA
1 E
0
XAZ
X*A
Z-1
XA
Z-1
E3
E2
E1
0
Gammastrålning
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 48
Inre konversion
Vid sönderfall exciteras kärnan och överskottsenergi sänds ut somgammafotoner.
Vid inre konversion överförs energin till en elektron i något skalsom frigörs från atomen
I och med att en vakans uppstår i skalet emitteras karakterisktröntgenstrålning.
2013-02-07
17
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 49
Halveringstid
Det radioaktiva sönderfallet är en slumpmässig process där i varje ögonblick sannolikheten för att en instabil kärna skall sönderfalla är konstant.
Detta innebär att sannolikheten för att en instabil kärna skall sönderfalla är oberoende av den tid kärnan tidigare existerat i sitt instabila tillstånd, dvs. av kärnans ålder.
Om vid tiden, t, föreligger ett stort antal kärnor, N(t), av en given radionuklid och att N(t) varierar med tiden, t, endast på grund av att kärnorna sönderfaller
Under tidsintervallet t, t + dt, sönderfaller dN stycken av kärnorna.
Under förutsättning att dN << N(t) gäller:
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 50
Ekvationen kan omskrivas till differentialekvationen
Antag No kärnor vid tiden t=0
Tiden då N=No/2 kallas halveringstiden
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 51
Seriesönderfall
I många fall sönderfaller en radionuklid till en nuklid, som i sin tur är radioaktiv osv. Processen kallas seriesönderfall.
Vi tänker oss nu ett fall där den radioaktiva nukliden X1 sönderfaller till den radioaktiva nukliden X2, som i sin tur sönderfaller till den stabila nukliden X3.
Vi kan schematiskt beskriva processen på följande sätt:
2013-02-07
18
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 52
Radionuklidgeneratorn
Kortlivade radionuklider kan för användaren innebära transportproblem om avståndet till producenten är för långt
radionukliden hinner sönderfalla innan den når sjukhuset.
Om halveringstiden är kort måste aktiviteten transporteras på annat sätt
Modernukliden är bunden till en gel i en kolonn
Dotternukliden kan erhållas genom eluering
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 53
Radionuklidgeneratorn för medicinskt bruk
Modernukliden långlivad – T½ dagar till år
Dotternukliden kortlivad – T½ minuter till dagar
Dotterdotternukliden – stabil, (långlivad)
Moder och dotter – olika kemiska egenskaper
Dotter – lämpliga kemiska egenskaper för märkning
Steril, pyrogenfri (bakterierester)
Enkel, lättanvänd, billig
Högt utbyte, eluering med koksaltlösning
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 54
5
( )99 99 99 99
65,9 6.01 2,110
ITm
h h årMo Tc Tc Ru stabil
2013-02-07
19
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 55
99Mo• T½ = 65.94h• β- - sönderfall• 740, 780 keV
99Tcm
• T½ = 6.01 h• IT• 140.5 keV 89%
99Tc• T½ = 2.1 105 år• β- - sönderfall• β- 294 keV
99Ru stabil
5
( )99 99 99 99
65,9 6.01 2,110
ITm
h h årMo Tc Tc Ru stabil
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 56
Teknetiumgeneratorn
( )99 99 99
65,9 6.01
ITm
h hMo Tc Tc
excel
Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 57
Aktiviteten för 99Mo och 99Tcm vs. tiden efter en eluering
( )99 99 99
65,9 6.01
ITm
h hMo Tc Tc