X3 DOZYMETRIA I BADANIE WPŁYWU PROMIENIOWANIA X NA MEDIA BIOLOGICZNE Tematyka ćwiczenia Promieniowanie X wykazuje właściwości jonizujące. W związku z tym powietrze naświetlane promieniowaniem X jest elektrycznie przewodzące, co może być zaobserwowane przy wykorzystaniu elektroskopu. Dozymetria, szczególnie w obszarze fizyki medycznej, opiera się na wyznaczaniu i obliczaniu dawek promieniowania, co jest szczególnie ważne w kwestii ochrony radiologicznej. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze stosowanymi jednostkami dawek promieniowania oraz zobrazowanie metody ich pomiaru. Obrazowanie modelu układu krwionośnego z wykorzystaniem czynnika kontrastującego. Potrzebne informacje promieniowanie X - oddziaływanie z materią; budowa i zasada działania lampy rentgenowskiej jonizacja (energia jonizacji); dawki promieniowania (ekspozycyjna, pochłonięta, równoważna, skuteczna) oraz sposoby ich obliczania; dozymetr; Bremsstrahlung; prawo absorpcji (m.in. jak zależy poziom absorpcji od liczby atomowej); kontrast (środek kontrastujący). CZĘŚĆ I (jonizacja) Aparatura 1. Aparat rentgenowski. 2. Elektroskop. 3. Kula przewodząca. 4. Drut miedziany. 5. Stoper. 6. Laska bursztynowa. 7. Filc. 8. Wtyczka bananowa. 1
Układ doświadczalny przedstawiony jest na zdjęciu. Należy zwrócić uwagę na położenie pętli drutu względem lampy. Przeprowadzenie pomiarów Pomiar czasu rozładowania elektroskopu dla różnych napięć anody (krok co 5 kv) i stałego natężenia prądu (wartość maksymalna, 1 ma) oraz różnego natężenia prądu (krok co 0.1 ma) i stałego napięcia (wartość maksymalna, 35 kv). Opracowanie wyników Wykonanie wykresów zależności czasu rozładowania elektroskopu w zależności od napięcia i natężenia prądu anody. Dopasowanie funkcji eksponencjalnej. CZĘŚĆ II (dozymetria) Aparatura 1. Aparat rentgenowski. 2. Wzmacniacz. 3. Zasilacz. 4. Dwa mierniku uniwersalne. 5. Kondensator. 6. Przewody. 2
Układ doświadczalny przedstawiony jest na zdjęciu. Należy zwrócić uwagę na położenie lampy promieniowania X oraz kondensatora. Jeden z mierników uniwersalnych jest wykorzystany do pomiaru napięcia na kondensatorze, zaś drugi - do pomiaru napięcia na wzmacniaczu. Ze względów bezpieczeństwa sygnał dodatni (kanał czerwony) musi być podłączony do zasilacza przez opornik 50 MΩ. Szczegóły połączenia są pokazane na zdjęciach (lewa strona: podłączenie dla napięć na kondensatorze mniejszych niż 300 V; prawa strona: podłączenie dla napięć na kondensatorze w przedziale 300-600 V). Przy wyłączonej lampie promieniowania X i maksymalnym napięciu przyłożonym do okładek kondensatora prąd nie powinien płynąć (jeżeli jest inaczej, to należy ustawić zero na wzmacniaczu). Promieniowanie X wytwarza prąd w kondensatorze I C jeżeli jest do niego przyłożone napięcie. Prąd ten jest proporcjonalny do napięcia sygnału ze wzmacniacza U sig, które jest następnie mierzone przez miernik uniwersalny. Przelicznik jest następujący I C =U sig /1GΩ. Przeprowadzenie pomiarów 1. Wyznaczenie objętości napromieniowanego powietrza w kondensatorze w oparciu o poniższy schemat. W jaki sposób można wyznaczyć odległość X 0, do której nie ma bezpośredniego dostępu? 3
2. Pomiar natężenia prądu w kondensatorze w funkcji przyłożonego napięcia z zastosowaniem dwóch lamp o różnych średnicach przesłony. (Dlaczego zastosowanie przesłony jest istotne?) Należy przyjąć stałe (maksymalne) U A = 35 kv i I A = 1 ma odpowiednio jako napięcie i natężenie prądu anody. Napięcie na okładkach kondenstatora należy zwiększać do 600 V z krokiem 30-40 V. 3. Pomiar natężenia prądu w kondensatorze dla różnych natężeń prądu anody (przy maksymalnym napięciu przyłożonym do kondensatora i anody). 4. Pomiar natężenia prądu w kondensatorze dla różnego napięcia anody (przy maksymalnym prądzie anody i maksymalnym napięciu przyłożonym do kondensatora). Opracowanie wyników 1. Obliczenie objętości napromieniowanego powietrza w kondensatorze w oparciu o przeprowadzone pomiary wartości pośrednich między elementami układu doświadczalnego. 2. Wykonanie wykresu natężenia prądu w kondensatorze w funkcji przyłożonego napięcia. (Wyniki dla obu lamp przedstawić na tym samym wykresie.) Określenie obszaru nasycenia. Obliczenie dawki promieniowania. (Średnia energia jonizacji molekuły powietrza wynosi ~33 ev) 3. Wykonanie wykresu natężenia prądu w kondensatorze w funkcji prądu anody (oraz w funkcji napięcia anody dla punktu 4). Określenie maksymalnych wartości prądu i napięcia anody, dla których promieniowanie X nie jest generowane w lampie. Porównanie tych wartości z wynikami uzyskanymi w części I. CZĘŚĆ III (obrazowanie modelu układu krwionośnego) 1. Aparat rentgenowski. 2. Model układu krwionośnego. 3. Dwie strzykawki. 4. Jodek potasu do przygotowania roztworu. 5. Rurki połączeniowe. 6. Ekran fluorescencyjny. 7. Aparat fotograficzny. Aparatura 4
Opis doświadczenia W diagnostyce radiologicznej trudno jest bezpośrednio odróżnić od siebie wiele typów tkanek i organów. Z tego powodu stosuje się środki kontrastujące w celu zwiększenia wyrazistości przewodu pokarmowego lub układu krwionośnego na obrazie rentgenowskim, co pokazane jest na poniższym zdjęciu. 1. W celu przeprowadzenia obrazowania należy zamontować model układu krwionośnego wewnątrz aparatu rentgenowskiego (pomiędzy lampą a ekranem fluorescencyjnym) i wyprowadzić rurki na zewnątrz obudowy. 2. Jedną ze strzykawek należy wypełnić środkiem kontrastującym i podłączyć ją do układu przez dolne wyprowadzenie. Pusta strzykawka powinna być podłączona do układu przez górne wyprowadzenie. 3. Należy włączyć aparat rentgenowski dla maksymalnego napięcia przyspieszającego (35 kv) i maksymalnego prądu anody (1 ma). W tym doświadczeniu nie należy stosować kolimatora (Zastanów się dlaczego?). Można teraz obserwować obraz pustego modelu układu krwionośnego. 5
4. Napełnienie układu środkiem kontrastującym i porównać otrzymany obraz z wynikiem uzyskanym w poprzednim punkcie. 5. Zbadać kontrast elementów układu na obrazie dla różnych wartości natężenia prądu anody i napięcia przyspieszającego. Zalecana literatura 1. A. Hrynkiewicz, Dawki i działania biologiczne promieniowania jonizującego, Państwowa Agencja Atomistyki, Instytut Fizyki Jądrowej, Warszawa-Kraków (1993). 2. P. Moskal, Dawki promieniowania jądrowego, Foton, Numer 112. 3. W.R. Leo, Techniques for nuclear and particle physics experiments, Springer Verlag (1987). 6