Atomfysikk til radionuklider

Tilbake

Publisert 06.11.2013, oppdatert 06.11.2013 14:17

Stikkord: Laboratoriene, Dosimetrilaboratoriet

Ord og uttrykk for strålefysikk i stråleterapi


Aktivitet til en radionuklide
er fenomenet utsending av uladde eller ladde partikler, eller elektromagnetisk stråling fra kjerner i ustabile atomer. Aktivitet er mengden av radionuklider i en bestemt energitilstand ved et gitt tidspunkt. Matematisk er det definert som forholdet dN på dt, hvor dN er antall av spontane kjerneomdanninger fra et energinivå i et tidsintervall dt.

Enheten til aktivitet i SI-system er becquerel (Bq), som er lik det inverse av sekund (s-1). I noen sammenhenger finner en den gamle enheten curie (Ci) fortsatt i bruk hvor 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq (eksakt).

Aktivitet til en mengde av radionuklider er gitt av produktet av omdanningskonstanten, l, og antallet radionuklider til stede på tidspunktet t, og A = l N.

Halveringstiden, T1/2 er den tiden som går med for halvparten av radionuklidene til å omdanne seg. Aktiviteten ved tiden t kan beregnes fra startaktivitet A0 ved tiden t0 og omdanningstid t-t0Betapartikler er høyenergielektroner og -positroner sendt ut fra kjerner i nuklider som inneholder for mange eller for få nøytroner. For et system med overskudd av nøytroner så omdannes nøytronene til protoner og i prosessen utsendes et elektron og et antinøytrino.

A = A0 eksp(-ln(2) (t-t0) /T1/2).

Betapartikler er høyenergielektroner og -positroner sendt ut fra kjerner i nuklider som inneholder for mange eller for få nøytroner. For et system med overskudd av nøytroner så omdannes nøytronene til protoner og i prosessen utsendes et elektron og et antinøytrino n.

atomfysikk_fig1

atomfysikk_fig1


De utsendte negativt ladde beta partiklene beskrives som β-, har et sammenhengende spektrum av energier fra null til maksimal energi beskrevet med E βmaks.
Positroner er positivt ladde elektroner (antipartikler til elektroner) sendt ut fra kjerner. De beskrives med β+ og har energifordeling tilsvarende til β- emittere.

Gammastråler er fotoner sendt ut under nukleære deeksitasjonsprosesser. Omdanninger der det sendes ut gammastråler kan komme fra metastabile eksiterte tilstander, eller mellom energinivåer i datternuklider. De aller fleste gammastråler fra fisjonsprodukter og menneskeskapte radionuklider har energier mellom 20 keV og 2 MeV.

Røntgenstråler er fotoner sendt ut under atomær nedbremsing. Røntgenstråler sendes ofte ut fra radionuklider, fordi orbitalelektroner blir berørt av høyenergiprosesser i nærliggende kjerner. I elektroninnfangingsprosessen, for eksempel, fanger kjernen et elektron (vanligvis et elektron i K-skall siden det er nærmest kjernen), og et proton og et elektron lager et nøytron. Denne prosessen etterlater en vakans i K-skall, og en karakteristisk røntgenstråle fra datternukliden blir sendt ut når orbitalelektroner fra høyere skall fyller vakansen.

Annihilasjonsstråling er en form for fotoner som assosieres med en klasse omdanninger av radionuklider. Positroner, fordi de er antipartikler til vanlige elektroner, kan ikke overleve lenge i normalt stoff. Slik at positroner som blir sendt ut under slik omdanning vil bremses ned i stoff inntil de når termisk likevekt. Det kombinerer med et elektron i en annihilasjon (utslettelse) der deres masse (1,022 MeV) blir omformet til energi. Dette tar form av to annihilasjonskvanter (fotoner) med 0,511 MeV hver som er rettet i stikk motsatt retning (for å sikre konservering av bevegelsesmengde).

Bremsestråling er et foton sendt ut ved nedbremsing av et elektron i Coulombfeltet til et atom. Slik er bremsestråling til stede ved alle beta omdanningsprosesser når β-partikler (både elektroner og positroner) bremses ned i stoff; den har et kontinuerlig energispektrum av fotonenergier opp til maksimal betapartikkelenergi.

Elektromagnetisk stråling (gammastråler og røntgen) vekselvirker med stoff prinsipielt i tre prosesser: fotoelektrisk absorpsjon, Comptonspredning og pardannelse.

I en fotoelektrisk prosess, som domineres av lave energier, overfører fotonet sin energi til et atoms elektron, som så blir frigjort fra atomet med en energi lik det innkommende foton minus elektronets bindingsenergi.

atomfysikk_fig2

atomfysikk_fig2



I Comptonspredning mister fotonet en del av sin energi til et atomært elektron, og et spredt sekundært foton oppstår, vanligvis i en annen retning enn det innkommende foton. Fotoner med høyere energier vil gjennomgå flere Comtonspredninger inntil prosessen til slutt avsluttes med en fotoelektrisk absorpsjon.

For fotoner med energi over 1,022 MeV, kan det skje prosesser med pardannelse, hvor et elektron-positronpar blir dannet. Det produserte positronet vil ende med å annihilere i produksjon av to 0,511 MeV fotoner, (eller med litt høyere energi hvis positronet har igjen en restenergi før det annihilerer). De tre vekselvirkningsprosessene konkurrerer avhengig av fotonenergi, samt elektrontetthet og atomnummer til det vekselvirkende stoffet.

Kvantitative mål på fotonvekselvirkning i stoffer ersvekkingskoeffisienterbasert ivirkningstverrsnittfor spesifikke vekselvirkninger. Den totale, smalstråle- svekkingskoeffisientenµ er gitt av summen µ = µfotoelektrisk + µCompton + µpardannelse Svekkingsprosessen for et fotonstrålefelt som går gjennom ei plate av et stoff er en eksponentiell funksjon på formen

I = I0 eksp(-µ l) ,

der I og I0 er intensiteten (målt i kermarate eller doserate) av den transmitterte strålen og den innkommende stråle, henholdsvis. l er tykkelsen på plata og µ er den lineære svekkingskoeffisienten. Det er vanlig å uttrykke tykkelsen i enheter av massetykkelse (cm2/g) – produktet av tettheten r og tykkelsen l. Transmisjonsligningen kan da skrives som

I = I0 eksp[(-µ/r)(rl)] ,

der µ/r er kalt massesvekkingskoeffisienten, som i motsetning til den lineære svekkingskoeffisienten ikke er avhengig av tettheten til absorbatoren, men bare sammensetningen.

Massesvekkingskoeffisienterkan finnes på NIST.gov: Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients.

De to kvantitative parametrene som brukes til å beskrive vekselvirkning av β-partikler når de bremses ned er stoppeevne og rekkevidde.

Totalmassestoppeevne, S/r, er forholdet dErdl, der dE er energien tapt fra en ladet partikkel som går en lengde dl i et stoff med tetthet r. For energier der kjernereaksjoner kan neglisjeres kan totalmassestoppeevne være summen av en kollisjonsdel og en stråledel

S/r = 1/r × (dE/dl)col + 1/r × (dE/dl)rad .

Rekkevidden for elektroner med en gitt energi i et stoff er en viktig parameter i design av strålekilder. En gitt partikkel vil ikke gå i en rett linje når den bremses ned, så rekkevidden er i sin natur gitt ved
atomfysikk_fig3

atomfysikk_fig3

der E er energien til innfallende elektron.

Rekkevidder for noen partikler og en rekke stoffer kan fines i NIST.gov: Stopping Powers and Ranges for Electrons.

atomfysikk_fig4

atomfysikk_fig4



Denne artikkelen er oversatt fra NIST, nuclear physics of radioactive decay.

Oversatt av Hans Bjerke, Statens strålevern, juli 2006.