Identifikace typu záření

Transkript

1 Identifikace typu záření U radioaktivního záření rozeznáváme několik druhů, jejichž vlastnosti se diametrálně liší. Jednotlivé druhy rozeznáváme podle druhu emitovaného záření. Tyto druhy radioaktivity se označují prvními třemi písmeny řecké abecedy α, β, γ. Paprsky jsou označeny podle pořadí, v němž byly objeveny. Záření alfa (α) Tento typ záření vydává většina přírodně radioaktivních izotopů. Částicí α se označuje jádro hélia ( 2 He 4 ). Alfa částice je tedy tvořena ze dvou protonů a dvou neutronů, což znamená, že alfa částice je kladně nabitá, a to s nábojem e +2. Proud těchto částic se nazývá alfa zářením. Alfa záření vzniká tak, že původní jádro ztrácí dva protony a dva neutrony. Příkladem izotopu, který generuje α záření je izotop uranu 238 U. Nově vzniklý prvek je posunutý v periodické tabulce prvků o dvě místa doleva. Záření α silně ionizuje prostředí, kterým prochází a dá se velmi snadno odstínit, a to i např. listem papíru. Z hlediska využití je α záření nejméně důležité. α záření vzniká jen z těžkých jader, navíc má malou pronikavost. Příkladem použití jsou hlásiče požárů, v medicíně použití nemá. Záření beta (β) U záření beta rozlišujeme dva druhy. Záření β - je tvořeno proudem záporných elektronů e -1, vznikajících v jádře radioaktivního prvku. Během beta rozpadu dochází k přeměně neutronu na proton. Nové jádro má o jednotku zvýšený kladný náboj, přičemž hmotnost jádra zůstává přibližně zachována. Nově vzniklý prvek je posunut v periodické tabulce prvků o jedno místo doprava. Druhý typ záření je označován jako β + a je tvořen proudem kladných pozitronů, což je antičástice k elektronu. Při záření β + dochází k posunutí nově vzniklého prvku v periodické tabulce o jedno místo doleva. Oproti záření α má záření β větší pronikavost. Záření β + se využívá v medicíně v systému PET pozitronová emisní tomografie. V systému PET se využívá efekt anihilace elektronů za vzniku γ záření. e + + e - 2γ. Vzniklé dvě kvanta γ záření o energii 511 kev opouští místo anihilace v protilehlých směrech (pod úhlem 180 º). Záření gama (γ) Záření γ je vysoko-energetické elektromagnetické záření. Na rozdíl od předchozích typů α a β záření nenese γ záření žádný náboj. Neexistuje čistý přírodní γ zářič. Záření γ vzniká často spolu s α nebo β zářením při radioaktivním rozpadu jader. Dceřinné jádro, které vzniká po vyzáření α nebo β záření, se v mnoha případech nachází v excitovaném stavu. Jádro pak může přejít do stavu s nižší energií, což je doprovázeno vyzářením fotonu γ. Při vyzáření γ fotonu nevzniká jiný izotop, jádro pouze ztratí část své energie. Záření γ je velmi pronikavé,

2 ale méně ionizující. Odstínit se dá jen velmi silnými vrstvami kovu nebo betonu. Často se používá k podobným účelům jako rentgenové záření, protože má podobné vlastnosti. Pokud chceme získat čistý γ zářič, musí být vyroben. Pro získání čistého γ zářiče je často používán radionuklid molybdenu 99 Mo, který se mění β - rozpadem s poločasem rozpadu T 1/2 = 2,66 dne na izotop technecia 99m Tc do jeho vybuzeného stavu (hladina o energii 140keV), který je metastabilní s poločasem rozpadu T 1/2 = 6,02 hodin. Pokud se oddělí produkt 99m Tc od mateřského molybdenu 99 Mo, získáme čistý γ zářič, který postupně vyzařuje záření γ o energii 140 kev. 99m Tc je nejdůležitějším radionuklidem v nukleární medicíně. Představuje čistý zářič γ fotonů s krátkým poločasem rozpadu 6 hodin, což umožňuje, bez rizika významně zvýšené radiační zátěže, aplikovat pacientům značně vysokou aktivitu 99m Tc (řádu stovek MBq až jednotek GBq) a poté využít u SPECT či dynamické scintigrafie. Při těchto vyšetřeních je radiační zátěž relativně nízká, protože není přítomno korpuskulární záření, které by se pohltilo v tkáni a odevzdalo svou energii. Naopak záření γ díky své pronikavosti většinou vylétá z organismu ven, jen část je pohlcena. Z generátoru 81 Rb (T 1/2 = 4,85 h) se získává plynný radioaktivní krypton 81m Kr (T 1/2 = 13 s). Při vyšetření odnáší proud vzduchu vedený trubičkou přes nádobku obsahující vrstvičku mateřského radionuklidu 81 Rb uvolňovaný dceřinný 81m Kr, který pacient vdechuje a scintilační kamera pomocí zevní detekce záření γ zobrazuje distribuci tohoto 81m Kr v plicních alveolech. Jedná se o ventilační scintigrafii plic. γ záření může být také použito jako účinný prostředek hubení bakterií. Této vlastnosti se využívá např. při sterilizaci lékařských nástrojů. Přestože γ záření může způsobit rakovinu, používá se při jejím léčení. Známým použitím v této oblasti je gama nůž, který využívá několika paprsků záření zaměřených na místo nádoru. V místě nádorů se paprsky protínají a jejich účinek je tak v oblasti nádoru největší a dochází k ničení zasažených buněk. V ostatních místech, kudy prochází jen jeden paprsek, je účinek menší a zdravé buňky přežijí. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač magnetický úchyt Geiger-Mullerův čítač INNO Magnetická podložka s měřítkem, magnetická Montážní absorpční deska Set absorpčních desek Plynové punčošky 3 ks Na Obr. 1 je uvedeno experimentální uspořádání při měření různých druhů zářičů.

3 Obr. 1: Experimentální uspořádání při rozeznávání typů záření. Jednotlivé typy záření mohou být zhruba rozpoznány podle jejich absorpce. Praktické testy schopnosti různých materiálů odstínit měřené typy záření vedou k následujícímu poněkud nepřesnému schématu odlišení jednotlivých typů záření. Záření α je odstíněno i pouhým kusem papíru. Záření β je odstíněno 1 cm tlustým plexisklem. Paprsky γ prochází 1 cm tlustým plexisklem. Popsané výsledky byly obdrženy měřením 210 Po, 90 Sr a 60 Co jako zdrojů jednotlivých typů záření. Tento postup je možné vyzkoušet na rozlišení záření 232 Th a jeho dceřinných produktů. 232 Th produkuje α a γ záření, zatímco dceřinný produkt emituje v této rozpadové řadě často β záření. a) Identifikace α záření stínění papírem Obr. 2: Uspořádání měření při detekci α záření.

4 Uspořádání měření je zachyceno na Obr. 2. Mezi emisní okénko na Geiger-Mullerově trubici a plynovou punčošku je vložen papír. Podle naměřených výsledků je možné odhadnout množství α záření v měřeném zdroji radioaktivního záření. Je potřeba uvažovat, že α záření neprojde papírem vloženým mezi měřící sondu a zdroj záření. Naměřené pulsy vztažené k měření radioaktivity okolního prostředí tedy odpovídají β nebo γ záření. b) Identifikace β záření stínění 1 cm plexiskla Oproti měření provedenému v bodě a) je vložena mezi zdroj radioaktivního záření a emisní okénko snímací sondy 1 cm tlustá vrstva plexiskla. Provedení experimentu je zachyceno na Obr. 3. Obr.3: Uspořádání měření při detekci β záření. Podle množství naměřených pulsů se dá určit převládající typ záření. Pokud se naměřené hodnoty blíží hodnotám odpovídajícím radioaktivitě okolního prostředí, převážná část záření byla pohlcena a tudíž se jedná o β záření. Pokud je množství pulsů větší než odpovídá okolní radioaktivitě, jedná se o γ záření, které prošlo vrstvou plexiskla. Vybrané otázky k dané problematice 1) Jaké typy radioaktivního záření znáte? 2) Jakým materiálem odstíníte jednotlivé typy záření? 3) Jmenujte některé aplikace pro jednotlivé druhy záření, zejména pak v medicíně?

5 Identifikace α záření V úloze bude použit zářič α záření 210 Po. Geiger-Mullerův čítač má účinnost 80 % pro α záření, což vede k velkému počtu pulsů dokonce i v přítomnosti zdroje s malou aktivitou α záření. To umožňuje identifikaci 210 Po jako α zářiče. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač magnetický úchyt Geiger-Mullerův čítač INNO Magnetická podložka s měřítkem, magnetická Montážní absorpční deska Set radioaktivních preparátů Na Obr. 4 je zachyceno uspořádání při měření na zdroji α záření 210 Po. Obr. 4: Měření α záření na preparátu 210 Po. Pří měření α záření umístěte měřící sondu co nejblíže ke zdroji záření 210 Po. Schéma měření je zachyceno na Obr. 4. a) Měření je provedeno na α zářiči 210 Po

6 Vybrané otázky k dané problematice 1) Jaká je účinnost Geiger-Mullerova čítače pro α záření? 2) Jaký materiál je použit jako zdroj α záření?

7 Dosah α záření ve vzduchu α záření má ze všech druhů radioaktivního záření nejmenší pronikavost a tím i nejmenší dosah. Obecně se dá odhadnout, že dosah α záření ve vzduchu je přibližně 5 cm. Dobrým odhadem je dosah vzdálenosti 1 cm ve vzduchu na každý 1 MeV vyzářené α energie. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač magnetický úchyt Geiger-Mullerův čítač INNO Magnetická podložka s měřítkem, magnetická Montážní absorpční deska Set radioaktivních preparátů Na Obr. 5 je zachycen měření dosahu α záření ve vzduchu. Obr. 5: Měření dosahu α záření ve vzduchu.

8 Pří měření dosahu α záření je třeba uvažovat zapuštění zdroje radiace pod povrch radiačního preparátu. V našem případě je potřeba k údajům ze stupnice přičíst navíc 5 mm. a) Změřte dosah α záření ve vzduchu Vybrané otázky k dané problematice 1) Jaký je teoretický dosah α záření ve vzduchu?

9 Absorpce α záření Dosah α záření ve vzduchu je relativně malý. Jedná se o vzdálenost několika cm. Utlumit se dá např. i kusem papíru. Teoreticky je každý materiál s plošnou hustotou aspoň 1 mg/cm 2 schopen spolehlivě odstínit α záření o energii 5 MeV. α záření si můžeme představit jako rychle se pohybující jádra helia. Pokud jsou zachyceny v absorpčním materiálu, jejich energie je rozptýlena. Tyto zachycené částice přijmou dva elektrony ze svého okolí a vytvoří molekulu helia a rozptýlí se jako plyn. Materiál, který pohlcuje α záření se tak nestává radioaktivním po bombardování α částicemi. V úloze je jako absorpční materiál využit papír, který má běžnou hmotnost 80 g/m 2, což je po převodu na hustotu plochy asi 0,8 mg/cm 2. To je přibližně stejná hodnota jako u lidské kůže. Pod pojmem hustota vyjádřené v kg/m 3 či g/cm 3 popisuje hmotnost materiálu vztaženou na jeho objem. Specifická povrchová hustota je udávána v kg/m 2 či g/cm 2 a je vztažena na hmotnost plochy pokrývající povrch 1m 2 respektive 1 cm 2. Při měření se použijí následující přístroje a pomůcky: Geiger-Mullerův počítač magnetický úchyt Geiger-Mullerův čítač INNO Magnetická podložka s měřítkem, magnetická Montážní absorpční deska Set radioaktivních preparátů a) Měření 210 Po bez absorpčního materiálu b) Měření 210 Po s absorpčním materiálem Pokud bychom chtěli demonstrovat útlum α záření lidskou kůží, je možné použít např. střívko z jitrnice, které se umístí do experimentu místo papíru. Mohou být použity i další látky, pokud chceme ověřit jejich schopnost absorpce α záření. Ve všech těchto případech budou naměřeny hodnoty, které odpovídají radiaci okolního prostředí.

10 Provedenými experimenty bylo ukázáno, že papír kompletně odstíní α záření. Při užití dalších podobných materiálů se prokáže, že materiály s povrchovou hustotou minimálně 1 mg/cm 2 kompletně odstíní α radiaci. Obr. 6: Měření absorpce α záření. Díky nízkému dosahu α záření ve vzduchu a jeho nízké pronikavosti (odstíní ho i kůže) nepředstavuje externí ozáření částicemi α žádné riziko pro člověka. Nicméně radioaktivní zdroje, které emitují α záření, mohou způsobit značné ozáření, pokud by se dostaly do lidského těla. V lidské tkání má α záření dosah přibližně 80 µm a může způsobit silné lokální radiační ozáření. Jakákoliv kontaminace kůže by mohla způsobit průnik skrz kůži a vstup radioaktivních látek do těla a proto musí být odstraněna příslušným způsobem. Vybrané otázky k dané problematice 1) Čím můžeme odstínit α záření? 2) Co se stane s α částicemi při jejich zachycení v absorpčním materiálu? 3) Jaká je nebezpečnost α záření pro lidské tělo?

11 Vznik tohoto studijního materiálu byl podpořen Evropským sociálním grantem Zvýšení kvality praktického vzdělání studentů studijního programu Biomedicínská a klinická technika (CZ / /0444).