Biofizica - Detectia radiatiilor ionizante

DETECTIA RADIATIILOR IONIZANTE

1.RADIATII- NOTIUNI GENERALE
2.RADIATII IONIZANTE
2.1.SURSE DE RADIATII
2.2.INTERACTIUNEA RADIATIILOR IONIZANTE CU
SUBSTANTA
3.DOZIMETRIA RADIATIILOR IONIZANTE


1.RADIATII. NOTIUNI GENERALE
Prin radiatie se intelege, in sensul cel mai larg, propagarea in spatiu a unor cimpuri de forte sub forma de unde sau a unor fluxuri de particule.
Radiatiile se pot clasifica in functie de :
A. natura radiatiei:
• electromagnetice: reprezinta propagarea sub forma de unde transversale a variatiilor cimpului electromagnetic;
• elastice : reprezinta propagarea sub forma de unde longitudinale a vibratiilor unui mediu elastic;
• corpusculare : sunt formate din fascicule de particule de mare energie ( viteza)
B.energie:
• ionizante : radiatii de mare energie , capabile sa produca ionizarea
• neionizante : radiatii de energie mica , insuficienta pentru ionizare
Radiatiile ionizante sunt reprezentate de:
• radiatii electromagnetice: X, 
• radiatii corpusculare :  ,+,-,p+,n
RADIATIA X ( radiatie de frinare)   ( 4-5) A
Electronii accelerati in cimp electric sunt frinati de cimpurile nucleare ale unor nuclee grele si produc radiatia X .
RADIATIA GAMMA este radiatia de dezexcitare a nucleului in urma emisiei de radiatii  sau  sau in urma dezintegrarii nucleare.
198Au
radiatie
-
198Hg
radiatie
 198Hg


RADIATIILE CORPUSCULARE apar in urma reactiilor nucleare sau a dezintegrarii nucleelor.
• radiatia  : este similara cu nucleele de He ,numite si helioni
• radiatia - = electroni; += pozitroni
• emisia de p+= protoni accelerati in acceleratoare de particule sau aparuti in urma reactiilor nucleare
• emisia de neutroni: neutronii pot fi lenti si rapizi si apar in urma reactiilor nucleare sau a dezintegrarii nucleelor.

INTERACTIUNEA RADIATIILOR IONIZANTE CU MATERIA

1. INTERACTIUNEA RADIATIILOR ELECTROMAGNETICE CU MATERIA
• EFECT FOTOELECTRIC
• EFECT COMPTON
• FORMAREA DE PERECHI ELECTRON - POZITRON


EFECTUL FOTOELECTRIC
Fotonul cedeaza energia lui unui electron periferic pe care-l smulge din invelisul atomic. O parte a energiei se consuma cu extractia electronului ( ionizare) iar restul se transmite ca energie cinetica a electronului emis- fotoelectron. Energia fotonului incident trebuie sa fie evident mai mare decit energia de legatura a electronului emis.

EFECTUL COMPTON
Fotonul, intilnind un electron liber sau slab legat , cedeaza o parte a energiei lui pentru extragerea electronului si imprimarii unei energii cinetice, restul regasindu-se intr-un foton cu energie mai mica, deviat sub un alt unghi fata de radiatia incidenta.

FORMAREA DE PERECHI ELECTRON-POZITRON

In cimpul electric intens din vecinatatea nucleului, un foton se poate materializa, dind nastere unei perechi electron-pozitron , in conditiile in care energia fotonului depaseste 1,022 MeV, echivalenta masei create. Energia excedentara este transferata particulelor sub forma de energie cinetica. In urma ciocnirii pozitronului cu un electron , cele doua particule se anihileaza , generind doi fotoni, fiecare cu energie de 0,511 MeV.
In urma acestor interactiuni apare o atenuare a fasciculului de fotoni conform cu legea absorbtiei:
I= I0 e-Kd
in care K este o constanta de material , functie de energia h ( a cuantei) iar d este grosimea materialului strabatut. d1/2 este grosimea materialului care injumatateste energia radiatiei:
d1/2 = ln 2/K
INTERACTIUNEA RADIATIILOR CORPUSCULARE CU MATERIA

Radiatiile corpusculare sunt denumite si radiatii cu parcurs , deoarece, dupa strabaterea unui parcurs in material ( functie de energia radiatiei) acestea sunt absorbite total prin mecanismele:
• excitare si ionizare
• generare de radiatie X ( ca radiatie de frinare)
Neutronii fiind rapizi si termici sunt generatori de reactii nucleare sau sunt absorbiti de mediu prin captura nucleara.

INTERACTIUNEA RADIATIILOR IONIZANTE CU MATERIA VIE

Procesele de interactiune ale radiatiilor ionizante cu materia vie sunt aceleasi ca si la materia nevie. Diferenta consta in efectul pe care il produc radiatiile ionizante in materia vie. De ex., interactiunea radiatiilor ionizante cu materia vie poate determina modificari chimice in celule si tesuturi, ceea ce poate duce la distrugerea functiei celulare sau poate determina perturbari functionale pina la aparitia formelor patologice.

MECANISME DE INTERACTIUNE IN MATERIA VIE

• directe : prin actiunea radiatiilor asupra macromoleculelor biologice (excitare, ionizare, efect fotoelectric, efect Compton, formare de perechi)
• indirecte : prin interactiunea cu moleculele si atomii lichidelor din organism, in special ale apei, producind radicali liberi.

ACTIUNEA RADIATIILOR IONIZANTE ASUPRA BIOMOLECULELOR SI EFECTELE LOR
• macromoleculele isi modifica greutatea moleculara prin rupere
• substantele coloidale se pot coagula
• enzimele sunt inactivate
• ADN-ul sufera alterari la nivelul legaturilor de hidrogen, ceea ce duce la aparitia cromozomilor modificati. Apar modificari asupra genelor, ducind la aparitia de mutatii.
• efectele iradierii locale depind de doza si de radiosensibilitatea celulelor sau tesuturilor
• efectele iradierii generale : boala de iradiere, efecte genetice, sterilitate
• efectele tardive pot conduce la moartea celulei sau a organismului.
Mecanismul direct de interactiune a radiatiilor ionizante cu materia vie a fost explicat prin teoria tintei .

TEORIA TINTEI
In cazul microorganismelor supravietuirea celulara scade exponential cu doza administrata. Acest lucru se considera valabil cind fiecare celula contine o structura sensibila - tinta - care atinsa aleator genereaza moartea celulei.

DETECTIA RADIATIILOR IONIZANTE

• din punct de vedere istoric: contor Geiger-Muller, camera de scintilatie
• actual: 1. cristali de scintilatie cuplati cu fotomultiplicator si numarator de impulsuri
2.film cu halogenura de argint care prin interactiunea radiatiilor provoaca innegrirea filmului dupa developare
3.detectie chimica prin schimbarea de culoare a unor substante in urma interactiunii radiatiilor
4.detectie cu semiconductoare care isi modifica conductibilitatea functie de doza de iradiere
5.camere de ionizare care permit determinarea dozei functie de numarul de ioni determinati de actiunea radiatiilor ionizante
6.pentru UV - modificari de culoare a unor substante chimice functie de doza

DETECTORUL CU SCINTILATIE

Detectorul cu scintilator solid se utilizeaza pentru radiatiile electromagnetice.
Scintilatorul este un cristal de iodura de sodiu cu urme de taliu. Fotonii incidenti produc ionizari si excitari. La revenirea in starea fundamentala , prin intermediul atomilor de taliu, se emit fotoni de fluorescenta, numiti fotoni de scintilatie, caracteristici taliului (  = 410nm) . Energia absorbita pentru un foton emis este de aprox. 40 eV, iar energia totala a fotonilor de scintilatie este proportionala cu energia cedata de fotonii incidenti.
Fotomultiplicatorul permite transformarea energiei luminoase in energie electrica. Acesta este un tub cu mai multi electrozi:
• un fotocatod
• 9-12 dinode polarizate la tensiuni din ce in ce mai mari
• un anod
Fotonii de scintilatie determina emisia de catre catod, prin efect fotoelectric, a unui numar proportional de electroni. Acestia sunt accelerati in cimp electric de la o dinoda la alta si provoaca emisia de catre fiecare dinoda a unui numar de electroni de 3-6 ori mai mare decit numarul electronilor incidenti. Electronii emisi de ultima dinoda sunt colectati de anod . Amplificarea este o caracteristica a fotomultiplicatorului si poate ajunge la 109. Impulsurile furnizate de fotomultiplicator sunt amplificate si afisate.
Exista si detectoare cu scintilator lichid , care permit inregistrarea radiatiilor  de mica energie.

METODA FOTODOZIMETRICA

Metoda fotodozimetrica de masurare a dozei de radiatii primita de un individ intr-un interval de timp se bazeaza pe fenomenul de interactiune a radiatiei cu emulsia fotografica. Radiatia incidenta produce ionizarea atomilor din interiorul emulsiei si ca urmare are loc disocierea halogenurii de argint care se gaseste sub forma de granule in masa emulsiei fotografice. Astfel , granula de halogenura devine developabila . In acest mod , traiectoria unei particule intr-o emulsie fotografica se materializeaza printr-un sir de granule negre .
Radiatia gamma si X nu lasa urme in emulsia fotografica, aceasta fiind voalata in ansamblu. Innegrirea emulsiei fotografice este o masura a cantitatii de iradiere realizata pina la finele timpului de expunere si nu a intensitatii de iradiere. Aceasta deoarece emulsia fotografica inregistreaza si pastreaza prin cumul actiunea radiatiilor. Emulsia fotografica poate fi mentinuta citeva saptamini. Limitarea timpului de expunere se datoreste numai dozei si fenomenului de fading (decolorare) a imaginii latente , deoarece halogenura de argint disociata prezinta tendinta de a se reface dupa un timp prea lung.