Κεφάλαιο 2. Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας ύλης

Question 1

Περιγράψτε τον εκθετικό νόμο εξασθένισης των φωτονίων σε ένα υλικό.

Answer 1

Question 2

Τι είναι γραμμικός και τι μαζικός συντελεστής εξασθένισης; Από τι εξαρτώνται; Τι είναι πάχος υποδιπλασιασμού;

Answer 2

Ώς πάχος υποδιπλασιασμού - HVL, ορίζεται το μήκος διαδρομή για το οποίο η ένταση μειώνεται στο ήμισυ της αρχικής HVL = LN2/μ

Question 3

Τι είναι παράγοντας επάυξησης;

Answer 3

Σε περίπτωση ευρείας δέσμης η εξασθένιση ,δηλαδή αφαίρεση φωτονίων από τη διεύθυνση της δέσμης δεν σημαίνει απαραίτητα απορρόφηση των φωτονίων, καθώς κάποια φωτόνια μπορούν να σκεδαστούν και να μετρηθούν από τον ανιχνευτή.

Επομένως ο «εκθετικός» νόμος εξασθένισης παίρνει τώρα τη γενική μορφή:

I= I₀exp(-μx) B(E, x, S,l)

Όπου Β καλείται παράγοντας επαύξησης και εξαρτάται από

1. την ενέργεια των φωτονίων E,
2. το πάχος το υλικού x,
3. τη διατομή της δέσμης S και την απόσταση από
4. τον ανιχνευτή l.

Question 4

Περιγράψτε συνοπτικά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Question 5

Τι είναι ηλεκτρόνια Auger;

Answer 5

 Γνωρίζουμε ότι από το ηλεκτρονικό περίβλημα των ατόμων εκπέμπονται

χαρακτηριστικές ακτινοβολίες Χ.

 Είναι δυνατόν, η ενέργεια η οποία διατίθεται για την εκπομπή ενός

φωτονίου Χ να μεταδοθεί σε ένα περιφερικό ηλεκτρόνιο το οποίο αποκτά

επιπλέον ενέργεια και εξέρχεται από το περιβάλλον του ατόμου.

 Ηλεκτρόνια αυτού του τύπου ονομάζονται ηλεκτρόνια Auger.

 Και σε αυτήν την περίπτωση, η εκπομπή χαρακτηριστικής ακτινοβολίας Χ

είναι ανταγωνιστική της εκπομπής ηλεκτρονίου Auger.

Question 6

Περιγράψτε συνοπτικά το φαινόμενο Compton (ή ασύμφωνη σκέδαση).

Question 7

Περιγράψτε συνοπτικά τη σκέδαση Rayleigh (ή σύμφωνη σκέδαση).

Answer 7

Question 8

Περιγράψτε συνοπτικά τη δίδυμη γένεση.

Question 9

Ποιο είναι το κατάλληλο φαινόμενο (φωτοηλεκτρικό ή Compton) στην Ακτινοδιάγνωση; Γιατί;

Question 10

Τι ενέργειες φωτονίων πρέπει να χρησιμοποιούνται στην ακτινοδιάγνωση; Γιατί;

Question 11

Τι είναι ο γραμμικός συντελεστής μεταφοράς ενέργειας και τι είναι ο γραμμικός συντελεστής απορρόφησης ενέργειας; Πως σχετίζονται;

Answer 11

1. Μέτρο της μεταφερόμενης στην ύλη ενέργειας από ιοντίζουσα ηλεκτρομγνητική ακτινοβολία αποτελεί ο γραμμικός συντελεστής μεταφοράς ενέργειας.
2. Ο συντελεστής αυτός ισούται με τη μέση ενέργεια που μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια φορτισμένων σωματιδίων ανα φωτόνιο ενέργειας Ε, που προσπίπτει σε ένα υλικό. Έχει τις ίδιες μονάδες με το γραμμικό συντελεστή εξασθένισης (cm^-1) και ορίζεται ώς: μ_tr= μ χ (T_{e-, e+})/E = μf
3. όπου ο αδιάστατος παράγοντας f αποτελεί το ποσοστό της ενέργειας του γωτονίου που μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια φορτισμένων σωματιδίων ανά αλληλεπίδραση. Ισούται με το ποσοστό της ενέργειας που δεν διαφεύγει από το σημείο της αλληλεπίδρασης με τη μορφή δευτερογενών φωτονίων
4. Ακόμη και σε συνθήκες “ηλεκτρονικής ισορροπίας” τα ηλεκτρόνια που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση έχουν υψηλή ενέργειμπορεί να χάσουν κατά τη διαδρομή τους στην ύλη σημαντικό ποσοστότης ενέργειας τους με εκπομπήάκτινοβολίας πέδησης.
5. Η ακτινοβολία πέδησης αποτελεί ουσιαστικά φωτόνια ιοντίζουσας ακτινοβολίας τα οποία θα μεταφέρουν ενέργεια μακριά από το σημείο της αρχικής αλληλεπίδρασης όπου γεννήθηκαν τα ηλεκτρόνια, οπότε, τοπικά η ενέργεια που μεταφέρεται δεν θα ισούται με την ενέργει που απορροφάται.
6. Γιαυτο το λόγο ορίζεται ο συντελεστής απορρόφησης ενέργειας που συνδέεται με το συντελεστή μεταφοράς ενέργειας με τη σχέση μ_en/ρ= (1-g) μ_tr/ρ
7. όπου φαίνεται ότι η απορρόφηση ενέργειας ανά μονάδα μάζας είναι μικρότερη από την αντίστοιχη μεταφορά ενέργειας κατά έναν παράγοντα g ο οποίος ισούται με το μέσο ποσοστό της κινητικής ενέργειας των φορτισμένων σωματιδίων που χάνεται σε ακτινοβολία πέδησης.

Question 12

Ποιες είναι οι βασικές αλληλεπιδράσεις νετρονίων – ύλης;

Question 13

Με ποιους μηχανισμούς αλληλεπιδρούν τα φορτισμένα σωματίδια με την ύλη; Τι είναι η μαζική ανασχετική ισχύς ενός υλικού;

Answer 13

Question 14

Σχεδιάστε ποιοτικά και περιγράψτε την καμπύλη Bragg.

Answer 14

Question 15

Πως ορίζεται το μέγεθος γραμμική μεταφορά ενέργειας (LET);

Answer 15

Τροποποιητικοί Μηχανισμοί της Δράσης Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας

Η έκταση των αποτελεσμάτων της δράσης μιας ιοντίζουσας ακτινοβολίας εξαρτώνται από φυσικούς, χημικούς και βιολογικούς παράγοντες.

Στους φυσικούς παράγοντες περιλαμβάνονται

1. το είδος της ακτινοβολίας
2. το μέγεθος και ο χρονικός ρυθμός της δόσης

Η ενέργεια που εναπωτίθεται από την ακτινοβολία στην ύλη ανά μονάδα μήκους διαδρομής καλείται LET.

Το είδος της ακτινοβολίας καθορίζει το LET, ενώ κατά σειρά μεγαλύτερο LET εμφανίζουν τα βαριά σωματίδια , τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια

Είναι προφανές ότι μια ακτινοβολία με υψηλό LET έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να πλήξει το DNA του κυττάρου και να προκαλέσει DSB

Από τη καμπύλη που εκφράζει το μέγεθος παλμού σε σχέση με την εφαρμοζόμενη τάση V, βλέπουμε ότι στη περιοχή ΙΙ, τα σωμάτια - α , δίνουν υψηλότερο παλμό σε σχέση με τα - β και τα φωτόνια - γ. Άρα τα σωμάτια -α έχουν το μεγαλύτερο LET, δλδ περισσότερους ιονισμούς στον ίδιο χώρο.

Ως άμεση δράση, ιοντίζουσας ακτινοβολίας ορίζονται αλληλεπιδράσει με βιομόρια όπως το DNA και το RNA που προκαλούν θραύση χημικών δεσμών , με αποτέλεσμα την παραγωγή ελευθέρων ριζών ή τη διάσπαση του μορίου σε μικρότερα. Τα μόρια που δημιουργούνται εκδηλώνουν διαφορετική φυσική και χημική συμπεριφορά ενώ το ίδιο συμβαίνει και σε μόρια που δεν διασπώνται αλλά μεταβάλλουν τη δομή τους εξαιτίας της θράυσης μη ομοιοπολικών δεσμών. Η άμεση δράση εκδηλώνεται από ατκινοβολίες με υψηλό LET, δλδ ακτινοβολίες που εναποθέτουν σχετικά υψηλό ποσό ενέργειας σε κάθε μονάδα μήκους διαδρομής τους μέσα στην ύλη.

Question 16

Σε ποιους μηχανισμούς οφείλονται τα φωτόνια που παράγονται σε μια λυχνία ακτίνων Χ;

Answer 16

Τα φωτόνια που παράγονται σε μια λυχνία ακτίνων Χ οφείλονται σε 2 μηχανισμούς.

1. Στον ιονισμό των ατόμων που έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μια κενής θέσης σε κάποια ενεργειακή στοιβάδα του ατόμου του υλικού και επομένω πυροδοτεί μια διαδικασία μετάπτωσης ηλεκτρονίων από εξωτερικές στοιβάδες μεγαλύτερης ενέργειας σε χαμηλότερης ενέργειας στοιβάδες για να καλύψουν το κενό με παράλληλη ακπομπή χαρακτηριστικής ακτινοβολίας.
2. Σε ακτινοβολία πέδησης (bremsstrahlung) που εκπέμπεται καθώς τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου των πυρήνων των ατόμων του υλικού.

Question 17

Πως γίνεται η απαγωγή θερμότητας της εστίας μιας λυχνίας ακτίνων Χ;

Answer 17

Λυχνία Coolidge:

Η λυχνία είναι ένας αερόκενος σωλήνας (πίεση <10-6 mmHg) με δύο ηλεκτρόδια, την κάθοδο και την άνοδο.

Από ένα νήμα βολφραμίου που υπάρχει στην κάθοδο, παρέχονται με θέρμανση, ηλεκτρόνια τα οποία ευρισκόμενα σε μια διαφορά δυναμικού επιταχύνονται (με την υψηλή τάση) και προσκρούουν στην άνοδο (στόχο).

Η παραγωγή των ηλεκτρονίων από την κάθοδο γίνεται με θερμιονική εκομπή, δηλαδή, την εξαγωγή ηλεκτρονίων από το μέταλλο που επιτυγχάνεται μέσω της ενέργειας που τους δίνεται από τη θέρμανση του μετάλλου με χρήση ηλεκτρικού ρεύματος.

Η κάθοδος είναι με τέτοιο τρόπο σχεδιασμένη ώστε να εστιάζει την δέσμη των ηλεκτρονίων που προσκρούουν στην άνοδο.

Η άνοδος είναι κατασκευασμένη από δύστηκτο μέταλλο, συνήθως βολφράμιο. Η τάση μεταξύ ανόδου – καθόδου είναι πάντα αρκετά υψηλή ώστε όλα τα παραγόμενα ηλεκτρόνια να προσπίπτουν στην άνοδο.

Η πρόσκρουση των ηλεκτρονίων στην άνοδο παράγει φωτόνια λόγω του φαινομένου πέδησης και τα οποία αποτελούν την διαγνωστική δέσμη.