Wechselwirkungen der γ-strahlung

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1 Wechselwirkungen der γ-strahlung Die den Strahlungsquanten innewohnende Energie wird bei der Wechselwirkung teilweise oder vollständig an die umgebende Materie abgegeben/übertragen! Erzielbare Wirkungen sind: Aufbrechen von chemischen Verbindungen Bildung freier Radikale (chemisch sehr aktiv) Thermische Wirkung, Wärmeentwicklung Streustrahlung in anderen Energiebereichen Ursachen für alle biologische Wirkungen Wechselwirkungen von ionisierende Strahlung mit lebender Materie physikalische Wechselwirkung chemischer Reaktion biologische Wirkung Ionisation einzelner Atome u.a. Effekte Aufbrechen von molekularen Bindungen und Bildung freier Radikale Zelltod oder Fehlfunktion oder Veränderungen im Erbgut Erkrankung

2 Foto-Effekt Gamma-Quant gibt seine Energie vollständig an ein kernnahes Hüllenelektron ab. Dieses fliegt als β-teilchen vom Atom weg und kann seinerseits mit der umgebenden Materie Wechselwirken. Quant mit E = h*ν Fühlt sich wohl bei niedrigen Energien und hohen Ordnungszahlen K L M Elektron (β) E = m/2 *v² - Bindungsenergie Compton-Effekt Gamma-Quant gibt nur einen Teil seiner Energie an ein äußeres Hüllenelektron ab. Dieses fliegt als β-teilchen vom Atom weg und kann seinerseits mit der umgebenden Materie Wechselwirken. Das Quant selbst bewegt sich mit geringerer Energie und geänderter Richtung (gestreut) weiter. Quant mit E = h*ν 1 K L M Comton-Elektron E e =m e /2*v² gestreutes Quant E c = h*ν c

3 Paarbildungseffekt Gamma-Quant trifft den Kern, der dann ein Positron und ein Elektron abgibt. Das Positron wird nach kurzer Zeit mit einem Elektron annihilieren, d.h. es zerstrahlt gemeinsam mit einem Elektron zu zwei γ-quanten mit je 511 kev. Braucht Energien >1,02 MeV und liebt hohe Ordnungszahlen Quant mit E = h*ν K L M 511 kev Elektron E = m e *c² 511 kev Positron trifft auf Elektron Wechselwirkungen von γ-strahlung im Körper Foto- Effekt e - Detektor e - e - Sekundäre Compton-Quanten mit Energien < 140 kev Hauptquantenergie: 140 kev Compton-Effekt Strahlen- Quelle (z.b. 99 Tc)

4 Energieverteilung der messbaren Quanten Die verschiednen WW-Mechanismen bewirken, dass die aus einem Körper austretenden Quanten verschiedene Energien besitzen. Ursachen dafür sind: Beim Zerfall entstehen primäre Quanten mit verschiednen Energien. Durch Compton-Streuung (z.t. mehrfach) entstehen Quanten mit einem weiten Energiebereich, deren Energie aber immer kleiner als die der Primärquanten ist. Durch weitere WW-Prozesse (Anregung, Bremsstrahlung) können sekundäre Quanten mit unterschiedlichen Energien entstehen. Energie-Spektrum Counts Energieachse (x) wird in kleine Bereiche eingeteilt (Kanäle) Jedes registrierte Quant wird seiner Energie nach in einen solchen Kanal eingeordnet (gezählt) Comptoneffekt Gestreute und sekundäre Quanten Fotopeaks Primärquanten ohne Streu-WW Energie in kev z.b. Kanal n: kev Counts (registrierte Ereignisse)

5 Energie-Spektrum Beschreibt die Zahl der Counts (registrierte Quanten) in als Funktion der Energie (in Kanäle aufgeteilt) Ist für jedes Nuklid charakteristisch, wie ein spektraler Fingerabdruck Material zwischen dem Ort des Zerfalls und dem Detektor beeinflusst die Form (wegen Compton-Effekt) des Spektrums, die Fotopeaks verändern ihre Lage (energetisch) aber nicht. In der Nuklearmedizin werden meist nur die Quanten in der Nähe des wichtigsten Fotopeaks (Energiefenster) verwendet. Abschirmung von γ-strahlen Intensitätsabnahme: I d = I o e -µd Strahlungsintensität 10 Abschirmung Halbwertsschicht HWS = 0,693/µ [cm] d: Dicke des Absorbers µ: linearer Schwächungskoeffizient (materialabhängig) Strahlungsintensität 5

6 Abschirmung von γ-strahlen Ist abhängig von der Energie der γ-strahlung und den Eigenschaften des durchstrahlten Materials Hohe Ordnungszahl (z.b. Blei, Wolfram) gute Abschirmung d