ΑΡΧΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΧΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 1. ΧΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ 2. ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΥ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ 3. ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ-γ 4. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ-γ (ΑΝΟΡΓΑΝΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΙ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΕΣ) 5. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-β 6. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-α

2 1. ΟΙ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ ΑΥΞΑΝΟΝΤΑΙ ΤΑΧΥΤΑΤΑ: Στην έρευνα της Χημείας και της Βιολογίας Στη διάγνωση και θεραπεία πολλών ασθενειών

3 Η ΒΑΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΗΣ ΜΕ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΑ Επισημασμένα και μη επισημασμένα μόρια του ίδιου είδους: Στις περισσότερες περιπτώσεις δεν μπορούμε να διακρίνουμε διαφορές μεταξύ τους Υπόκεινται στις ίδιες χημικές αντιδράσεις ή ακολουθούν τις ίδιες μεταβολικές οδούς Η τεχνική της αυτοραδιογραφίας χρησιμοποιείται για να γίνουν αντιληπτά θραύσματα DNA επισημασμένου με 3 Η-Θυμιδίνη.

4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ Ευαισθησία ( φορές μεγαλύτερη άλλων αναλυτικών μεθόδων) Εκλεκτικότητα Διαθεσιμότητα Απλότητα Αναπαράσταση εγκεφάλου με τη μέθοδο PET για τον προσδιορισμό της μεταβολικής δραστηριότητας αυτού

5 Ως νουκλίδιο ορίζεται κάθε τύπος ατόμου με καθορισμένο αριθμό πρωτονίων (Ζ) και αριθμό νετρονίων (Ν) στον πυρήνα του. Ισότοπα νουκλίδια είναι εκείνα που έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό (Ζ) αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων (Ν) ΙΣΟΤΟΠΑ ΤΟΥ ΧΛΩΡΙΟΥ Ν 17 17Cl 17Cl 17Cl 17 Πρωτόνια 18 Νετρόνια 17 Πρωτόνια 20 Νετρόνια 17 Πρωτόνια Ν Νετρόνια

6 Για το φθόριο από το οποίο μόνο ένα είδος υπάρχει στην φύση πιο σωστά λέμε ότι σχηματίζει ένα μοναδικό σταθερό νουκλίδιο μάλλον παρά ένα μοναδικό σταθερό ισότοπο 10 F 9 ΟΡΙΣΜΟΙ Ραδιονουκλίδιο είναι ένα ραδιενεργό ατομικό είδος που χαρακτηρίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων και νετρονίων στον πυρήνα του Ραδιοϊσότοπο είναι ένα από δύο ή περισσότερα ραδιενεργά ατομικά είδη που έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό

7 ΟΡΟΛΟΓΙΑ Ηλεκτρόνια ή σωματίδια β προερχόμενα από πυρηνική διάσπαση: Ηλεκτρόνια, β - Ποζιτρόνια, β+ Ηλεκτρόνια προερχόμενα από εξωπυρηνικές διαδικασίες: Ηλεκτρόνια, e - Ποζιτρόνια, e+

8 ΜΟΝΑΔΑ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΒΟΛΤ (ev) Κινητική ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν βρεθεί μέσα σε διαφορά δυναμικού ενός Volt.

9 Σωματίδια-α 2. ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΩΝ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ Πυρήνες ηλίου (2 πρωτόνια δύο νετρόνια) Για παράδειγμα : U 90Th 2He γ 238 διάσπαση

10 ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΩΝ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ Σωματίδια-β Ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια n 1p β ν Για παράδειγμα : C 7 N β ν 15

11 ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΩΝ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΩΝ Ακτίνες-γ Φωτόνια υψηλής ενέργειας Οι διασπάσεις-α και β μπορεί να αφήσουν τον πυρήνα σε διηγερμένη κατάσταση. Η αποδιέγερση του διηγερμένου πυρήνα μπορεί να γίνει με διάσπαση-γ.

12

13 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΕΙΔΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΔΙΕΙΣΔΥΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ «ΕΚΤΑΣΗ» ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ Σωματίδια-α Πολύ μικρή Πολύ υψηλή Μονοενεργειακά Μεγάλη Σωματίδια-β Μικρή Χαμηλή έως υψηλή Από 0 έως μέγιστη Μέση Ακτίνες-γ Πολύ μεγάλη Μέση έως υψηλή Μονοενεργειακές Χαμηλή

14 3. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΠΟΥ ΠΑΡΑΓΟΥΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Οι διασπάσεις-α και β μπορεί να αφήσουν τον πυρήνα σε διηγερμένη κατάσταση. Η αποδιέγερση του διηγερμένου πυρήνα μπορεί να γίνει με διάσπαση-γ. Υπάρχουν 3 τρόποι διάσπασης-γ: ΑΠΛΗ ΕΚΠΟΜΠΗ ΑΚΤΙΝΩΝ-γ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΥΓΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ- ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ

15 ΕΚΠΟΜΠΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-γ Φωτόνιο (ακτίνες-γ) Πυρήνας σε διηγερμένη κατάσταση μπορεί να αποδιεγερθεί εκπέμποντας την περίσσεια της ενέργειας υπό μορφή μονοενεργειακών φωτονίων ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ακτίνες-γ) π.χ.: Για παράδειγμα : 3 2He 2 He γ 3m

16 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ (Internal Conversion) Ηλεκτρόνιο Auger Κενό ακτίνες-x Εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο Η απλή εκπομπή φωτονίου-γ συναγωνίζεται την εκπομπή ηλεκτρονίων εσωτερικής μετατροπής: η ενέργεια του διηγερμένου πυρήνα μεταφέρεται σε εξωπυρηνικό ηλεκτρόνιο το οποίο εκδιώκετια και το απομένον κενό καλύπτεται από ηλεκτρόνιο υψηλώτερης στιβάδας ενώ η διαφορά ενέργειας μεταξύ των στιβάδων εκπέμπεται ως ακτίνα-χ ή ηλεκτρόνιο Auger

17 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΥΓΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ-ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ ΜΕΣΑ ΣΤΟΝ ΠΥΡΗΝΑ Όταν οι ενέργειες διέγερσης είναι μεγαλύτερες από 1,02 ΜeV: 16m 8 O 16 O 6 e e Ζεύγος μέσα στον πυρήνα, που εκδιώκεται

18 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Οι πυρηνικές ακτινοβολίες δεν ανιχνεύονται άμεσα αλλά έμμεσα μέσω της αλληλεπίδρασής τους με την ύλη Η μέτρηση της ραδιενέργειας γίνεται με ανιχνευτή ή απαριθμητή, συσκευή που ανταποκρίνεται παράγοντας σήμα που καταγράφεται Τα διάφορα είδη ακτινοβολίας: 1) αλληλεπιδρούν με την ύλη με διαφορετικό τρόπο 2) διαφέρουν ως προς την ενέργεια τους Κατάλληλα συστήματα ανίχνευσης έχουν αναπτυχθεί για κάθε είδος ακτινοβολίας: Απαριθμητής σπινθηρισμών για την ακτινοβολία-γ Μετρητής Geiger-Müller και υγρός απαριθμητής σπινθηρισμών για την ακτινοβολία-β Θάλαμος ιοντισμού, αναλογικός απαριθμητής και ημιαγωγοί για την ακτινοβολία-α

19 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-γ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΥΓΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ-ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ

20 ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Εκπεμπόμενο φωτοηλεκτρόνιο Εισερχόμενο φωτόνιο-γ Κατά το Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει πλήρης απορρόφηση των φωτονίων-γ από το άτομο, εκπομπή ενός ηλεκτρονίου και σχηματισμός ζεύγους ιόντων. Ισχύει: Ε e E Κατά την κάλυψη του κενού συμβαίνει εκπομπή ακτίνων-x και ηλεκτρονίων Auger γ E σ Η πιθανότητα να συμβεί το φαινόμενο αυξάνει όταν Εγ<1 MeV, ελαττώνεται με αύξηση της Εγ και Κ>L>M

21 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON Κατά το Φαινόμενο Compton τα φωτόνια-γ αλληλεπιδρούν με το πεδίο ενός ηλεκτρονίου και έχουμε εκπομπή ενός ηλεκτρονίου ενώ το φωτόνιο-γ σκεδάζεται με χαμηλώτερη ενέργεια Ε γ Ισχύει: Ε γ Ε γ Ε e Με εφαρμογή νόμων διατήρησης ενέργειας και ορμής: Ε Εγ 2 1 (Ε /m c γ )(1 cosθ) Η πιθανότητα να συμβεί το φαινόμενο αυξάνει με τον Ζ και ελαττώνεται με αύξηση της Ε γ. Συμβαίνει κυρίως όταν 0,6< Ε γ <4 MeV e γ

22 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΥΓΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ-ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ Κατά την παραγωγή ζεύγους ένα φωτόνιο-γ μετατρέπεται σε ένα ηλεκτρόνιο (e ) και ένα ποζιτρόνιο (e + ) στο πεδίο Coulomb του πυρήνα. Πρέπει Ε γ 1,02 MeV διότι m 0,e = 0,51 MeV Η επιπλέον ενέργεια εμφανίζεται σαν κινητική ενέργεια του ζεύγους των e: Η πιθανότητα να συμβεί το φαινόμενο αυξάνει με αύξηση του Ζ και όταν Ε γ > 4 MeV Ε γ 1,02 Ε e E e

23 4. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ-γ (ΑΝΟΡΓΑΝΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΙ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΕΣ) ακτίνες-γ Ορατό φως φωτοπολλαπλασιαστής Καταγραφικό Η απόδοση ενός ανιχνευτή είναι: Κρύσταλλος NaI φωτοκάθοδος Άνοδος f cpm dpm x100 Αρχή λειτουργίας απαριθμητή σπινθηρισμών Σπινθηριστές: Ουσίες που απορροφούν ενέργεια διεγέρσεως και επανεκπέμπουν μέρος αυτής υπό μορφή φωτονίων ορατής ακτινοβολίας Υπάρχουν δυο τύποι σπινθηριστών: 1) Οι κρύσταλλοι (ανόργανοι ή οργανικοί π.χ. NaI + 10% TlI) 2) Τα διαλύματα (υγρά ή πλαστικά)

24 ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΝΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΜΩΝ Σπινθηριστής Εισερχόμενη ακτινοβολία-γ Κρύσταλλος Απορρόφηση ακτινοβολίας-γ και εκπομπή ορατού φωτός Φωτοπολλαπλασιαστές ανιχνεύουν το φως Κατανομή τάσης Προενισχυτής Κύριος ενισχυτής Αναλυτής ύψους παλμών Μετρητής Χρονο διακόπτης Υψηλή τάση

25 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΜΩΝ Το φωτόνιο-γ χάνει όλη του την ενέργεια μέσα στον σπινθηριστή με έναν ή με περισσότερους από έναν από τους προαναφερθέντες τρόπους μετατρέποντάς την τελικά σε κινητική ενέργεια ηλεκτρονίων Τα ηλεκτρόνια αυτά χάνουν ενέργεια με ιονισμό ή διέγερση των ατόμων του σπινθηριστή Ο αριθμός των ατόμων που είτε ιονίζονται ή διεγείρονται είναι ανάλογος της συνολικής ενέργειας των ηλεκτρονίων που παράγονται με την αλληλεπίδραση φωτονίων-γ και ύλης Αποδιεγειρόμενα τα άτομα του σπινθηριστή εκπέμπουν φωτόνια ορατής ακτινοβολίας (σπινθηρισμός) Τα ορατά φωτόνια αλληλεπιδρούν με το υλικό της φωτοκαθόδου του φωτοπολλαπλασιαστή και παράγονται φωτοηλεκτρόνια Τα ηλεκτρόνια από τη φωτοκάθοδο πολλαπλασιάζονται στις δυνόδους του φωτοπολλαπλασιαστή και τελικά παράγεται μετρήσιμο ρεύμα.

26 ΑΣΚΗΣΗ: ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΤΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΟ ΡΑΔΙΟΝΟΥΚΛΙΔΙΟ 137 Cs Γίνεται αν προσδιορίσουμε το ρυθμό κρούσεων προτύπου δείγματος καισίου με χαρακτηριστικά: 1,203 μci 137 Cs, (1/1/1978) και t 1/2 = 30,17 y ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Τίθεται σε λειτουργία ο απαριθμητής σπινθηρισμών και λαμβάνονται πέντε μετρήσεις του ρυθμού κρούσεων του υποστρώματος (R BG ) σε c/20s Tοποθετείται το πρότυπο δείγμα 137 Cs στον ανιχνευτή και καταγράφονται δέκα μετρήσεις του ρυθμού κρούσεων αυτού (R 137-Cs )σε c/20s ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ Υπολογίζετε τη μέση τιμή του αριθμού κρούσεων του δείγματος, Μ 137-Cs, και του υποστρώματος, Μ BG, καθώς και τη σταθερή απόκλιση s κάθε μέτρησης από τη μέση τιμή s 1 Σ(Μ N 1 2 i M) καθώς και τη σταθερή απόκλιση της μέσης τιμής s M s N Υπολογίζετε την απόδοση f (M MBG )(cpm) A(dpm) 137 Cs 100 με Α=Α 0 e -λt

27 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-β ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ 1) Εκπομπή ακτινοβολίας «πέδησης» (bremsstranhlung): Φορτισμένο σωματίδιο (φορτίου z, μάζας m) μεγάλης ενέργειας περνάει κοντά από έναν πυρήνα (φορτίου Z) και χάνει ενέργεια υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ιονισμός (e, δευτερογενές ηλεκτρ.) 2) Μη ελαστικές κρούσεις : Φορτισμένο σωματίδιο μέτριας ενέργειας επιδρά επί ηλεκτροστατικού πεδίου ηλεκτρονίων μορίου απορροφητικού μέσου και αυτά διεγείρονται ή ιοντίζονται ανάλογα με την ενέργεια που θα τους δοθεί. 3) Ελαστικές κρούσεις: Φορτισμένο σωματίδιο με πολύ μικρή ενέργεια υφίσταται αλλαγή της διεύθυνσης της τροχιάς του μέσω αλληλεπίδρασης με το ηλεκτροστατικό πεδίο ενός ατομικού πυρήνα, απορροφητικού μέσου, χωρίς απώλεια ενέργειας.

28 5. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-β (ΜΕΤΡΗΤΗΣ GEIGER-MÜLLER) Κάθοδος (-) είναι η εσωτερική επένδυση από μέταλλο Εισερχόμενη Ιοντίζουσα Ακτινοβολία Άνοδος (+) Είναι το σύρμα στο κέντρο Μόρια αερίου Ηλεκτρόνιο Θετικό Ιόν Απαριθμητής Παράθυρο από λεπτό φύλλο μίκας Υψηλή Τάση Αρχή λειτουργίας ΜΕΤΡΗΤΗ GEIGER-MÜLLER

29 Αρχή λειτουργίας ΜΕΤΡΗΤΗ GEIGER-MÜLLER Σωματίδιο-β δημιουργεί στο αέριο του σωλήνα ζεύγη ιόντων, [He + β He + + e - ] κινούμενα προς την άνοδο και την κάθοδο, αντίστοιχα. Τα ηλεκτρόνια δημιουργούν καθ οδόν περισσότερα ζεύγη ιόντων και όλα τα e - καταλήγουν στην άνοδο δημιουργώντας παλμό ρεύματος, (πρωτογενής παλμός), Καθένα από τα θετικά ιόντα φθάνει στην κάθοδο, προσλαμβάνει e - ουδετεροποιείται και διεγείρεται [He + + e - He * ] κερδίζοντας ενέργεια: Ε διεγ. = Ε ιοντισμού Ε σύνδεσης e- Αποδιεγειρόμενα τα He * εκπέμπουν φωτόνια UV-ακτινοβολίας, τα οποία αλληλεπιδρώντας με το μέταλλο της καθόδου προκαλούν εκπομπή φωτοηλεκτρονίων Τα φωτοηλεκτρόνια αυτά καταλήγουν στην άνοδο δημιουργώντας ένα δευτερογενή παλμό που πρέπει να αποφευχθεί. Η αποφυγή επιτυγχάνεται με την προσθήκη στο σωλήνα «αποσβεστικού» μέσου (EtOH ή Cl 2 ) He + + EtOH He + EtOH + ή He + + Cl 2 He + Cl 2 + Οπότε στην άνοδο: EtOH + + e - EtOH * ή Cl e - Cl 2 * Και τελικά: Cl 2 * Cl + Cl και Cl + Cl Cl 2

30 Χαρακτηριστικά ΜΕΤΡΗΤΗ GEIGER-MÜLLER (GM) Αν ραδιενεργό δείγμα τοποθετηθεί σε μετρητή GM και αυξάνεται διαδοχικά το εφαρμοζόμενο στα άκρα του σωλήνα δυναμικό, θα ληφθεί η χαρακτηριστική καμπύλη του οργάνου, στο πρώτο τέταρτο του plateau της οποίας αναζητείται το βέλτιστο δυναμικό λειτουργίας αυτού. Χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας μετρητή GM ΧΡΟΝΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ή «ΝΕΚΡΟΣ ΧΡΟΝΟΣ», Τ, μετρητή GM : Ο χρόνος κατά τη διάρκεια του οποίου ο μετρητής είναι «απασχολημένος» και συνεπώς «ανενεργός» Έτσι, ο καταγραφόμενος αριθμός κρούσεων θα είναι μικρότερος από τον πραγματικό αριθμό των σωματιδίων που εισέρχονται στο σωλήνα. «ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΚ ΣΥΜΠΤΩΣΕΩΣ»: Η διαφορά μεταξύ πραγματικού και καταγραφόμενου αριθμού κρούσεων Μέθοδος των «συζευγμένων ραδιενεργών πηγών»: Χρησιμοποιείται συνήθως για τον ακριβή υπολογισμό του χρόνου ανάλυσης, Τ.