Opis ćwiczenia - Uniwersytet Jagielloński

Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, X3
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Aparat rentgenowski.
Elektroskop.
Kula przewodząca.
Drut miedziany.
Stoper.
Laska bursztynowa.
Filc.
Wtyczka bananowa.
1
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, X3
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Aparat rentgenowski.
Wzmacniacz.
Zasilacz.
Dwa mierniku uniwersalne.
Kondensator.
Przewody.
2
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, X3
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 IC jeżeli jest do niego przyłożone napięcie. Prąd ten jest proporcjonalny do napięcia
sygnału ze wzmacniacza Usig, które jest następnie mierzone przez miernik uniwersalny. Przelicznik
jest następujący IC=Usig/1GΩ.
Przeprowadzenie pomiarów
1.
Wyznaczenie objętości napromieniowanego powietrza w kondensatorze w oparciu o
poniższy schemat. W jaki sposób można wyznaczyć odległość X0, do której nie ma
bezpośredniego dostępu?
3
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, X3
2.
3.
4.
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) UA = 35 kV i IA = 1 mA odpowiednio jako
napięcie i natężenie prądu anody. Napięcie na okładkach kondenstatora należy zwiększać do
600 V z krokiem 30-40 V.
Pomiar natężenia prądu w kondensatorze dla różnych natężeń prądu anody (przy
maksymalnym napięciu przyłożonym do kondensatora i anody).
Pomiar natężenia prądu w kondensatorze dla różnego napięcia anody (przy maksymalnym
prądzie anody i maksymalnym napięciu przyłożonym do kondensatora).
Opracowanie wyników
1.
2.
3.
Obliczenie objętości napromieniowanego powietrza w kondensatorze w oparciu o
przeprowadzone pomiary wartości pośrednich między elementami układu doświadczalnego.
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)
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)
Aparatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Aparat rentgenowski.
Model układu krwionośnego.
Dwie strzykawki.
Jodek potasu do przygotowania roztworu.
Rurki połączeniowe.
Ekran fluorescencyjny.
Aparat fotograficzny.
4
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, X3
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
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, X3
4.
5.
Napełnienie układu środkiem kontrastującym i porównać otrzymany obraz z wynikiem
uzyskanym w poprzednim punkcie.
Zbadać kontrast elementów układu na obrazie dla różnych wartości natężenia prądu anody i
napięcia przyspieszającego.
Zalecana literatura
1.
2.
3.
A. Hrynkiewicz, Dawki i działania biologiczne promieniowania jonizującego, Państwowa
Agencja Atomistyki, Instytut Fizyki Jądrowej, Warszawa-Kraków (1993).
P. Moskal, Dawki promieniowania jądrowego, Foton, Numer 112.
W.R. Leo, Techniques for nuclear and particle physics experiments, Springer Verlag (1987).
6