Ugrás a tartalomhoz

Orvosi leképezéstechnika

Balkay László (2011)

Debreceni Egyetem

7. fejezet - Sugárgyengítés és korrekciója

7. fejezet - Sugárgyengítés és korrekciója

Elektromágneses hullám és közeg kölcsönhatása

Az elektromágneses (gamma-, röntgen-) sugárzás anyagi közeggel főként háromféle kölcsönhatásba lép.

Fotoelektromos kölcsönhatás (rugalmatlan ütközés)

A foton teljes energiáját átadja egy elektronnak, amely ezáltal magasabb energiaszintre kerül, és/vagy mozgási energiája megnő. A jelenséget A. Einstein írta le először, ezért kapta meg a fizikai Nobel-díjat 1921-ben.

Ilyenkor a "megürült" elektronhelyre egy eredetileg magasabb energiaállapotú elektron "esik le", és a két szint közötti energiakülönbséget elektromágneses hullám formájában adja le; ezt karakterisztikus röntgensugárzásnak hívjuk. (Röntgen, mert az elektronhéjból jövő elektromágneses sugárzás. Karakterisztikus, mert energiája az elektronok energiaszintjeire jellemző, azok különbségével egyenlő. Ld. az ábrát.)

Compton-szórás

Ez is egy foton és egy elektron ütközése, de a Compton-szórás során a foton energiájának csak egy részét adja át egy elektronnak, és ezután a lecsökkent energiájú (alacsonyabb frekvenciájú) foton halad tovább, megváltozott irányban.

Minél nagyobb a beeső foton energiája, annál nagyobb a Compton-szórás valószínűsége a fotoelektromos kölcsönhatással szemben.

Alacsony energiákon az előre- és visszaszórás közel azonos valószínűségű, míg igen nagy energián a kis szögű szórás a leggyakoribb.

Párkeltés

A nagy (>1022 keV) energiájú foton egy nagy tömegű atommagba ütközve egy elektron-pozitron párrá alakul át. (Az így keletkezett elektront "negatron"-nak is hívják.) A keletkezett pozitron nagy valószínűséggel rövid távon belül egy elektronnal ütközve kölcsönösen megsemmisül. Ld. ábra.

Igen nagy energiánál a foton még egy atomi részecskét is kilökhet. Ez azonban az orvosi leképezéseknél használt energiákon nem következik be, csak 8 MeV felett.

Kölcsönhatási típusok valószínűsége

A háromféle kölcsönhatás valószínűsége a foton energiájától és az elnyelő közegtől függően változik:

  • Alacsony energiánál a fotoelektromos kölcsönhatás dominál, közepes energián a Compton-szórás, míg nagy energián a párkeltés (ld. az ábra bal felét).

  • Minél nagyobb tömegű az atom, ami a közeget alkotja, annál nagyobb energia felé tolódik el a kölcsönhatások közötti átmenet (ld. jobb oldali ábra).

A leképezésekhez használt (80-500 keV) fotonenergia-tartományban vízben és testszövetben a Compton-szórás a döntő.

Az elektromágneses sugárzás gyengülése közegben

Az elektromágneses sugárzás intenzitása homogén közegben a rétegvastagsággal exponenciálisan gyengül:

7.1. ábra - eq_5_1.png

eq_5_1.png

ahol N0 a beeső, N az adott rétegen túljutó részecskék száma, d1/2 pedig a felezési rétegvastagság, mely a sugárgyengítés mértékét jellemzi. Sugárvédelmi tervezési feladatokhoz ezen kívül hasznos a tizedelő rétegvastagság (d1/10) ismerete is.

Például a Tc-99m 141 keV-os energiáján a víz felezési rétegvastagsága kb. 4,5 cm; a zsír és lágy testszövet elnyelése is ehhez közeli értékű. Ólomban ugyanezen az energián d1/2=0,27 mm; d1/10=0,83 mm.