Physik für Mediziner im 1. Fachsemester

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1 Physik für Mediziner im 1. Fachsemester #28 10/12/2008 Vladimir Dyakonov

2 Reichweite radioaktiver Strahlung Alpha-Strahlung: Wenige cm in Luft Abschirmung durch Blatt Papier, Kleidung Bei Verschlucken maximale Ionisierung (sehr gefährlich!) Beta-Strahlung Bis 1 m in Luft Abschirmung durch Aluminiumblech Gamma-Strahlung Sehr weit in Luft Abschirmung durch Blei (mehrere cm)

3 Reichweite: α, β, γ

4 Radioaktiver Zerfall Zerfallsgesetz N(t) = N 0 " exp(#$ " t) N(t) N 0 t λ = Anzahl der zerfallenen Kerne = Ursprüngliche Anzahl der Kerne = Zeit = Zerfallskonstante [1/s] Halbwertszeit e-tel-zeit t 1 2 = ln2 " t 1 e = 1 " Halbwertszeit bzw. e-tel-zeit ist die Zeit t, bei der die Anzahl der Kerne, die ursprünglich vorhanden waren, auf die Hälfte bzw. ein e-tel gefallen ist.

5 Radioaktiver Zerfall Aktivität: A = dn dt = " # N Anzahl radioaktiver Zerfälle pro Zeiteinheit Einheiten: 1 Becquerel [Bq] = 1 Zerfall/s 1 Curie [Ci] = 3.7"10 10 Bq

6 Radioaktiver Zerfall Aktivität: Anzahl zerfallender Kerne pro Zeit A=dN/dt N :Anzahl Kerne A=λ*N λ : Zerfallskonstante A = A 0 " e #$"t " = ln(2) t 1/ Cs -> 137 Ba* + β Ba*-> 137 Ba + γ(662 kev) Halbwertszeit: t 1/2 = 30,2 Jahre A 0 = 3.70 MBq ( )

7 Nachweis radioaktiver Strahlung Nebelkammer Macht Teilchenstrahlen sichtbar Ionisierung entlang der Flugbahn der Teilchen bewirkt Nebelbildung. Alphastrahler Nebelspuren

8 Nachweis radioaktiver Strahlung Ionisationskammer Kondensator mit elektrischem Feld Nach Ionisierung fließen die erzeugten Ladungen zu den Platten Steigt die Spannung, erreichen immer mehr Ladungen die Platten Kommen alle Ladungen an, so steigt der Strom bei Spannungserhöhung nicht weiter an Positive Ionen Neutral Atome - Elektronen A

9 Nachweis radioaktiver Strahlung Geiger-Müller Zählrohr (s. Versuch A1 Radioaktivität) Nachweisgerät für energiereiche, geladene Teilchen Einzelnes Teilchen löst Gasentladung aus α-teilchen Glimmerfenster Gasfüllung (Argon/Alkohol) Metallmantel U = 1000 V Blick von der Seite - + Blick von vorne ca. 1 MΩ Isolation Verstärker

10 Nachweis radioaktiver Strahlung Zählrohrcharakteristik des Geiger-Müller Zählrohrs: Impulse/min Glimmentladung Proportionalitätsbereich Plateau Einsatzspannung Zählrohrspannung

11 Nachweis radioaktiver Strahlung Szintillationszähler Szintillator wandelt Strahlung direkt in sichtbares Licht um Verstärkung durch Photomultiplier erforderlich Halbleiterdetektoren Halbleiter wandelt Strahlung direkt in messbaren Strom um Szintillationskristall Einfallende Strahlung Strahlung wird in Licht umgewandelt Photomultiplier

12 Nachweis radioaktiver Strahlung Der Photomultiplier Einfallendes Photon Photo-Kathode Fenster Dynoden Anode

13 Nachweis von Röntgenstrahlung Dosimeter Messgeräte zur Messung der kumulativen Strahlendosis ionisierender Strahlung Film-Dosimeter: Schwärzung eines strahlungsempfindlichen Films ist Maß für die Dosis ist Füllhalter-Dosimeter: Entladung eines aufgeladenen Kondensators ist Maß für die Dosis Personen, die der Strahlenüberwachung unterliegen (Strahlenschutzverordnung) müssen während der Arbeit Film-D. tragen, die monatlich ausgewertet und mit den erlaubten Grenzwerten verglichen werden.

14 Dosimetrie Energiedosis D Energiedosis D ist die Energie E, die von der Strahlung auf ein Massenelement m übertragen wird oder die von der ionisierenden Strahlung an die absorbierende Materie (z.b. Gewebe), pro kg absorbierende Masse, abgegebene Energie. Einheit: 1 Gray [Gy] =1 J kg

15 Dosimetrie Ionendosis J Ionendosis J ist definiert durch die Menge positiver Ladungen Q, die ionisierende Strahlung in einem Massenelement m erzeugt J = Q m Bei homogener Massenverteilung J = 1 Q " V Einheit: J [ ] =1 C kg

16 Dosimetrie Äquivalentdosis H Die Äquivalentdosis in einem bestrahlten Gewebe oder Organ ergibt sich aus der Energiedosis D durch Multiplikation mit einem Wichtungsfaktor q für die betreffende Strahlenart: q berücksichtigt die unterschiedlichen biologischen Wirkungen der verschiedenen Strahlenarten: q " =1 Einheit: H = q" D 1 Sievert [Sv] =1 J kg q # = 20

17 Dosimetrie Reichweite verschiedener Strahlungstypen Energie/ MeV R/cm in Luft R/mm in Wasser oder Weichgewebe Beta- Beta- Beta+ Alpha Beta+ Alpha 0,1 12 0,13 0,12 0,14 0,0016 0,0014 0,2 33 0,25 0,18 0,40 0,0030 0,0022 0, ,80 0,32 1,7 0,0098 0,0039 1, ,3 0,50 4,0 0,028 0,0061 2, ,0 1,0 9,5 0,086 0,012 5, ,2 25 0,4 0, ,5 50 1,47 0, ,9 0, , ,6 Reichweite von Alpha- und Beta-Strahlen in Luft und Wasser

18 Dosimetrie Körperdosis H/Effektive Dosis E Effektive Dosis ergibt sich durch Summation der gewichteten Äquivalentdosen der einzelnen bestrahlten Gewebe und Organe. n H eff = # w i " H i i=1 Wichtungsfaktoren w i berücksichtigen die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit der einzelnen Organe in Bezug auf das Krebsrisiko und genetische Veränderungen. Eine gleichmäßige Bestrahlung des ganzen Körpers oder einzelner Organe ergibt bei gleicher effektiver Dosis dasselbe Strahlenrisiko.

19 Dosimetrie Körperdosis H/Effektive Dosis E 1 Keimdrüse 0,25 2 Brust 0,15 3 rotes Knochenmark 0,12 4 Lunge 0, Schilddrüse Knochenoberfläche Blase, oberer Dickdarm, Dünndarm, Gehirn, Leber, Magen, Milz, Nebenniere, Niere, Bauchspeicheldrüse, Thymus, Gebärmutter 0,03 0,03 je 0,06 n H eff = # w i " H i i=1 Wichtungsfaktoren w i einiger Organe

20 Strahlentherapie Linearbeschleuniger: Elektronen (mehr für Oberflächennahe Tumoren) Telekobaltgerät: Gamma-Rays (Oberflächenferne Tumoren)