Radiation and Measurement Rad. Detect & Measure, 2008 (TKL) Dr: Mymona Abutalib Phone :

بسم الله الرحمن الرحيم اللهم صلى على محمد واله.. اللهم علمنا ما ينفعنا وانفعنا بما علمتنا وزدنا علما ً يا ارحم الراحمين

8 رمز و رقم المقرراسم المقرر نظ ري عمليالوحدات المعتمدةالمتطلب السابق ف 462 فيزياء أشعة وكواشف 2-3 ف 461 داف المقرر : الإلمام بالجانب العملي المهم من الفيزياء النووية والذي سوف يساعد في حصول الطالب على عمل في مجال الكشف والحماية من الإشعاع. المحتوى العلمي للمقرر : مصادر الإشعاع ( المصادر المعيارية و آلات مصادر الأشعة مثل المعجلات ), تفاعل الأشعة مع المادة التأثيرات الحيوية, العدادات والكواشف ( الصلبة والسائلة والغازية ), معالجة النبضات و وتحليل النتائج و طرق التعرف على الجسيمات, الطاقة النووية والحماية من الإشعاع, تطبيقات معملية. الكتب الأساسية : 1- Radiation Detection And Measurement By G.Knoll, John – Wiley. 2- Nuclear Electronics By P.W. Nicholson, John – Wiley. المراجع العلمية المساندة : 1- Introduction to Nuclear Radiation Detectors By P.N.Cooper, Cambridge University Press. 2- Techniques for Nuclear And Physics Experiments (A how – to approach), By W.R.Leo, Springer – Verlag فيزياء أشعة وكواشف - ف 462

المحاضرة الاولى 14/11/1436

atomic structure Example : A hydrogen element

تتكون الذرة من النواة المحاطة بمدارات الالكترونات السالبة الشحنة. النواة تتكون من جسيمات ذات شحنة موجبة ( البروتونات ) وجسيمات غير مشحونة ( النيترونات )

Charge The proton has a single positive charge, +e The proton has a single positive charge, +e The electron has a single negative charge, -e The electron has a single negative charge, -e The neutron has no charge The neutron has no charge Makes it difficult to detect Makes it difficult to detect e = x C e = x C

Mass It is convenient to use atomic mass units, u, to express masses It is convenient to use atomic mass units, u, to express masses 1 u = x kg 1 u = x kg Based on definition that the mass of one atom of C-12 is exactly 12 u Based on definition that the mass of one atom of C-12 is exactly 12 u Mass can also be expressed in MeV/c 2 Mass can also be expressed in MeV/c 2 From E R = m c 2 From E R = m c 2 1 u = MeV/c 2 1 u = MeV/c 2

Summary of Masses Masses Particlekgu MeV/c 2 Proton x Neutron x Electron x x

Size of Nucleus, Current Since the time of Rutherford, many other experiments have concluded the following Since the time of Rutherford, many other experiments have concluded the following Most nuclei are approximately spherical Most nuclei are approximately spherical Average radius is Average radius is r o = 1.2 x m r o = 1.2 x m

9.1 Natural Radioactivity Unstable Isotopes Some isotopes are stable The unstable isotopes are the ones that produce radioactivity To write nuclear equations we need to be able to write the symbols for the isotopes and the following: alpha particles beta particles gamma rays

Nuclear Binding Energy Energy must be added to a nucleus to separate it into its individual nucleons (protons and neutrons). The energy that must be added to separate the nucleons is called the binding energy E B. The binding energy is the energy by which the nucleons are bound together.

Nuclear Binding Energy

Equations Mass-Energy Relationship: E = energy,  m = mass converted to energy or energy converted to mass, c = 3 x 10 8 m/s Mass defect: amu proton = amu amu neutron = amu

Equations Nuclear Binding Energy:

Binding Energy/Nucleon

RADIATION 22

RADIATION Energy traveling through space or matter, ultimately to be absorbed by another body. Marchiori, Dennis (2005). Clinical Imaging. St. Louis, MO: Elsevier Mosby. 23

RADIATION Heat Light Sound Its energy is usually classified by its ability or inability to ionize matter. Marchiori, Dennis (2005). Clinical Imaging. St. Louis, MO: Elsevier Mosby. 25

CLASSIFICATION OF RADIATION Non-Ionizing Radiation Ionizing Radiation 26

NON-IONIZING RADIATION Includes the spectrum of ultraviolet (UV), visible light, infrared (IR), microwave (MW), radio frequency (RF), and extremely low frequency (ELF). Non-ionizing radiation can pose a considerable health risk to potentially exposed workers if not properly controlled. 29

IONIZING RADIATION Marchiori, Dennis (2005). Clinical Imaging. St. Louis, MO: Elsevier Mosby. 30 Ionizing radiation is produced by unstable atoms. Unstable atoms differ from stable atoms because they have an excess of energy or mass or both. Unstable atoms are said to be radioactive. In order to reach stability, these atoms give off, or emit, the excess energy or mass. These emissions are called radiation. Ionizing radiation is produced by unstable atoms. Unstable atoms differ from stable atoms because they have an excess of energy or mass or both. Unstable atoms are said to be radioactive. In order to reach stability, these atoms give off, or emit, the excess energy or mass. These emissions are called radiation.

Primary Types of Ionizing Radiation Alpha particles Beta particles Gamma rays (or photons) X-Rays (or photons) Neutrons

Ionizing Radiation alpha particle beta particle Radioactive Atom X-ray gamma ray

Alpha Particles Alpha Particles : 2 neutrons and 2 protons They travel short distances, have large mass Only a hazard when inhaled Primary Types of Ionizing Radiation: Alpha Particles

Alpha Particles (or Alpha Radiation): Helium nucleus (2 neutrons and 2 protons); +2 charge; heavy (4 AMU). Typical Energy = 4-8 MeV; Limited range (<10cm in air; 60µm in tissue); High LET (QF=20) causing heavy damage (4K-9K ion pairs/µm in tissue). Easily shielded (e.g., paper, skin) so an internal radiation hazard. Eventually lose too much energy to ionize; become He.

تتألف أشعة ألفا Alpha Radiation من جزيئات موجبة الشحنة يتألف كل منها من بروتونين ونيوترونين تطلقهما نويدات مشعة لعناصر ثقيلة كاليورانيوم والراديوم والرادون والبلوتونيوم. تنتقل أشعة ألفا إلى مسافة سنتميترات فقط في الهواء ويمكن إيقافهابقطعة من الورق، ولا يمكنها اختراق الجلد. في حال امتصاص الجسم لمادة تطلق أشعة ألفا، فإنها ستطلق كل طاقتها إلى خلايا الجسم المحيطة. لذلك، فإن المواد الباعثة لأشعة ألفا تكون ضارة بالإنسان إذا تم استنشاقها أو ابتلاعها أو دخولها إلى الجسم عبر الجروح المفتوحة. خصائص إشعاعات آلفا α 1-تحمل شحنتين موجبتين وكتلتها تساوي 4مرات كتلة الهيدروجين. 2-تسبب تأين الهواء الذي تمر به. 3-لها طاقة كبيرة. 4-قوة الاختراق ضعيفة ، يمكن إيقافها باستخدام ورق عادية. 5-سرعتها أقل من سرعة الضوء

Primary Types of Ionizing Radiation: Beta Particles Beta Particles: Electrons or positrons having small mass and variable energy. Electrons form when a neutron transforms into a proton and an electron or:

Beta Particles: High speed electron ejected from nucleus; -1 charge, light AMU; Typical Energy = several KeV to 5 MeV; Range approx. 12'/MeV in air, a few mm in tissue; Low LET (QF=1) causing light damage (6-8 ion pairs/µm in tissue). Primarily an internal hazard, but high beta can be an external hazard to skin. In addition, the high speed electrons may lose energy in the form of X-rays when they quickly decelerate upon striking a heavy material. This is called Bremsstralung (or Breaking) Radiation. Aluminum and other light (<14) materials are used for shielding.

تتألف أشعة بيتا Beta Radiation من إلكترونات تنبعث من نواة الذرة، وهي أصغر من جزيئات ألفا Alpha ولديها قدرة على نفاذ أكثر عمقاً. يمكن لأشعة بيتا النشطة اختراق البشرة والنفاذ إلى الطبقة التي يتم فيها انتاج الخلايا الجلدية الجديدة. يمكن إيقاف اشعة بيتا باستخدام قطعة حديد أو زجاج أو قطعة ملابس عادية. وفي حال بقاء باعثات أشعة بيتا ذات الطاقة العالية على الجلد لفترة طويلة من الوقت، فإنها من المحتمل أن تتسبب في إلحاق إصابات على الجلد مثل الحروق الإشعاعية. خصائص إشعاعات بيتاβ 1-سالبة الشحنة وكتلتها مثل كتلة الإلكترون. 2- تسبب تأين (ioniser) الغاز الذي تمر به. 3- سرعتها تعادل سرعة الضوء يمكن إيقافها باستخدام الألواح من الرصاص. 4- قوة الاختراق تعادل 100مرة من قدرة اختراق جسيمات آلفا.

Primary Types of Ionizing Radiation: Gamma Rays Gamma Rays (or photons): Result when the nucleus releases Energy, usually after an alpha, beta or positron transition

أشعة جاما Gamma Radiationعبارة عن موجات طاقة كهرومغناطيسية وهي تنتشر في الهواء ولديها قدرة كبيرة على الاختراق. وتُعتبر المواد ذات الكثافة العالية، مثل الرصاص والخرسانة، من الحواجب الجيدة لأشعة جاما. خصائص إشعاعات جاما δ 1- لا تنحرف في وجود أي مجال كهربي أو مغناطيسي.( لأنة ليس لدينا شحنة ) 2- قوة تأينها للغازات صغيرة. 3- سرعتها كبيرة تعادل سرعة الضوء. 4- قوة اختراقها كبيرة مرة قدرة أشعة بيتا. 5- تحتاج الى إيقافها باستخدام عدة سنتيمترات من الرصاص. 6- ليس لها نظير آخر.

Primary Types of Ionizing Radiation: X-Rays X-Rays: Occur whenever an inner shell orbital electron is removed and rearrangement of the atomic electrons results with the release of the elements characteristic X-Ray energy

الأشعة السينية X-rays عبارة عن فوتونات ذات طاقة عالية (كأشعة جاما) يتم انتاجها اصطناعيا من خلال إبطاء شعاع الإلكترون. لدى الأشعة السينية قوة اختراق، وفي حال عدم وجود وقاية (تدريع) باستخدام مواد ذات كثافة عالية يمكن للأشعة السينية إطلاق طاقة هائلة للأعضاء الداخلية.

Primary Types of Ionizing Radiation: Neutrons Neutrons: Have the same mass as protons but are uncharged They behave like bowling balls

إشعاع النيوترون يتألف من نيوترونات ولا يعتبر في حد ذاته إشعاعاً مؤيَّناً. ولكن في حال اصطدام النيوترون بنواة الذرة، يمكن أن تنشط أو أن تتسبب في إطلاق أشعة جاما أو جزيئات مشحونة، وبالتالي ترفع مستوى الإشعاع المؤيَّن بصورة غير مباشرة. لدى النيوترونات قدرة أكبر على النفاذ مقارنة بأشعة جاما، ويمكن إيقافها فقط باستخدام حواجز سميكة مثل الخرسانة أو المياه أو البرافين.