İ ELEKTROMANYETİK ALANLAR ve RADYASYON ÖLÇÜMLERİ

ELEKTROMANYETİK
İ ALANLAR
ve RADYASYON ÖLÇÜMLERİ
Prof. Dr. M. Tunaya
y KALKAN
İÜ Cerrahpaşa Tıp Fakültesi
Biyofizik Anabilim Dalı
GİRİŞ
Dört temel kuvvet
a) Gravitasyonel kuvvetler, kütleler gezegenler ve
yıldızlar kadar büyük olmadıkça çok zayıftır.
b) Yakın tesir ve
c) Zayıf tesir kuvvetleri canlı organizmalar için yok
edicidirler.
d) Elektromanyetik kuvvetler
Elektromanyetik kuvvetler canlı organizmada
atomlardan
moleküllere
moleküllere,
hücrelerden
organlara kadar tüm yapıları bir arada tutan
kuvvetlerdir.
kuvvetlerdir
Canlı yapıları elektronik hassas aletler gibi
g
düşünürsek vücut dışından gelebilecek
elektromanyetik alanların ve bunların
oluşturduğu kuvvetlerin, elektronik aletlerin
işleyişini bozduğu gibi biyolojik yapıları da
etkilediği bilinmektedir.
bilinmektedir
Nedir bu ELEKTROMANYETİK dalga?
titreşim doğrultusu
Yayılma doğrultusu v=3.109 m/s
E
H
Ş kil 2.c:
Şekil
2 Elektromanyetik
El kt
tik alanların
l l
şematik
tik yapıları.
l
Her titreşimin etkisini tartışalım
Yüksek frekans,
frekans Düşük dalgaboyu
Düşük frekans,
frekans yüksek dalgaboyu
Kozmik ışıma
Beta
x-ışınları
Mikrodalga
Gamma
Alfa
UV
IR
Cep tlf
GÖRÜNÜR IŞIK
Rf
TV
ELF
ELF (Extremely Low Frequency): Aşırı düşük
d k frekanslı
f k l alanlar.
l l
Yalnızca elektrik veya manyetik alan etkisi vardır. Özel alan ölçen
cihazlarla tespit edilir.
edilir En önemlisi 50-60
50 60 Hz şehir şebekesi ve
yüksek gerilim hatlarından yayılır. Lösemi ve beyin tümörlerine
neden olduğu
ğ ifade edilmektedir.
Rf (Radio Frequency): Radyo ve telsiz haberleşmede ve bazı
tıbbi cihazlarda kullanılır. Vücut içinde ısı birikimi (SAR) ve
akımcıklar
k
kl oluşturur.
l
İ
İnsan
yüksekliğine
ük kliği bağlı
b ğl olarak
l k rezonans
frekansında etki artar. Aşırı yüksek şiddetlerde canlı organizmada
olumsuz etkilerinden bahsedilmektedir.
bahsedilmektedir
TV (UHF, VHF vs): Televizyon yayınlarında kullanılır.
Cep
p Telefonları: 900 ve 1800 MHz frekansta iletişimde
ş
kullanılır.
Aşırı şiddet ve uzun süre kullanımda zararlarından
bahsedilmektedir.
Mik d l l
Mikrodalgalar:
C l içinde
Canlı
i i d ısı birikimine
bi iki i neden
d olur.
l 2450 MHz
MH
frekansta su molekülleri rezonansa girerek pişirmede kullanılır.
Kızıl Ötesi (Infra Red): Deride ısı oluşumu ve deriden ısı
atılımı sağlar.
sağlar
Görünür Işık: Gözde retina üzerinde ışığın ve renklerin
algılanmasını sağlar. Aşırı yüksek şiddette deride ısı
algılanmasını sağlar.
Buraya kadar verilen tüm elektromanyetik alanların enerjileri
frekanslarına bağlı olarak (E=h.f) yüksek olmadığından atom
veya moleküllerden elektron koparamadığından iyon
oluşturma etkileri yoktur (noniyonizan).
Bir elektromanyetik ışımanın enerjisi frekansı ile orantılıdır
(E=h.f). Frekansı görünür ışıktan yüksek olanlar hidrojen
atomunun
t
elektronunu
l kt
bil (13,1eV)
bile
(13 1 V) kopartabilir.
k
t bili
e-
İyonizan ışın
+
Sonuçta elektronunu kaybetmiş artı yüklü bir atom yada
molekül ile bir elektron yada elektron fazlası olan eksi yüklü
bir kısım oluşur.
YÜKSEK ENERJİLİ IŞIMALAR (İyonizan)
•
Frekans Dalga
g boyu
y
(Hz)
(m)
10-6
1023
Kozmik
10 4
10-4
Enerji
j (eV)
( )
108
1018
1
gamma, x-ışını
alfa, beta
104
1013
102
Morötesi (UV)
10
Görünür ışık
10-2
•
106
104
1014
•
60
1017
•
•
•
10-11
RADYOAKTİF IŞINLAR
• Radyasyon çeşitleri:
• 1
1. Tanecik özellikte: Alfa,
Alfa Beta
• 2. Elektromagnetik özellikte: X ve Gama
ışınları
• Tanıda; Gama ışınları ve x-ışınları,
x-ışınları
• Tedavide; Beta ışınları kullanılır.
NÜKLEER RADYASYONLARIN
ÖLÇÜMÜ (deteksiyon)
(
y )
• Alfa, Beta, Gamma, ve X ışınları gibi
radyasyonların
y y
ölçülmesinde
ç
kimyasal,
y
,
fotokimyasal, iyonizasyon, floresans, fosforesans
olaylardan yararlanılır.
• Genel olarak
• 1)) Gazlı
• 2) Sintilasyon
• 3) Yarı iletken
• dedektörleri sıklıkla kullanılmaktadır.
Gazlı Dedektörler
+
Işın
+
+
- +
- + - +
+
- + - + +
- + +
- + +
+
+
-
+
+ V -
Puls Dalga Yüksekliği
Sürekli
Deşarj
Geiger Müller
Orantısız
Orantılı
İyonizasyon
Yeniden
Birleşme
Gerilim ((Voltaj)
j) (V)
( )
Yeniden Birleşme (Rekombinasyon) Bölgesi: Elektrotlar
arası voltaj 0 dan başlayıp küçük değerlerde oldukça bazı
iyonlar
y
elektrotlara ggitmeden yyeniden birleşirler.
ş
Bazıları ise
artan voltaja bağlı olarak elektrotlara daha çok gitmeye başlar.
Bu da puls-dalga şiddetinin voltajla artmasına neden olur.
İ
İyonizasyon
i
Bölgesi:
i Voltaj
l j belirli
b li li bir
bi değere
d
ulaştıktan
l k sonra
arttırılmasına rağmen radyasyon nedeniyle oluşan iyon sayısı
sabit olduğundan,
olduğundan elektrotlara gidebilecek daha fazla iyon
bulunmadığından artan voltaja rağmen puls-dalga yüksekliği
sabit kalacaktır.
Orantılı Bölge: Voltaj daha fazla arttırılırsa oluşan elektrik
alanda hızlandırılan iyonlar çarpışarak ikincil iyonların
oluşmasına
l
neden
d olur.
l Böylece
Bö l
artan voltaj
l j ile
il gaz
amplifikasyonu oluşur ve puls-dalga şiddeti voltaj ile orantılı
olarak artmaya başlar.
başlar
Orantısız (sınırlı orantılı) Bölge: Voltaj
l j daha
d h
d
da
arttırıldığında dedektöre giren ışıma ile puls-dalga şiddeti tam
olarak orantılı sonuç vermemeye başlar.
başlar Bu bölgede çalışan
dedektörlerle sonuç alınmadığından kullanılmaz.
Geiger-Müller
g
Bölgesi:
g
Voltajj yyine arttırılırsa birincil ve
ikincil iyonlar oranı kaybolur. Birincil iyonların sayısı ne
olursa olsun çıkış puls-dalga şiddeti hep aynı kalır. Bu voltajda
çalışan
l
d d k ö l Geiger-Müller
dedektörlere
G i
Müll sayıcıları
l denir.
d i Daha
D h fazla
f l
kontaminasyon monitörü olarak kullanılırlar.
Sürekli deşarj Bölgesi: Son olarak voltaj aşırı derecede
arttırılırsa sayıcının içindeki gazda arklar oluşur. Bu bölgede
artık sayım
y almak imkansızlaşır.
ş
Yukarıda açıklanan voltaj değerlerinin hepsi birden tek bir
dedektörde kullanılamaz. Her dedektör çalışma amacına
uygun imal
i l edilir
dili ve dar
d bir
bi voltaj
l j aralığında
l ğ d belirli
b li li amaca
uygun çalışır.
Sintilasyon Sayıcıları: Radyoaktif ışımalar bazı maddelerle
etkileştiğinde uyarı (eksitasyon) meydana getirir. Buradan
çıkan
k
ışık
k (fotonlar)
(f t l ) fotoelektrik
f t l kt ik etki
tki ile
il elektron
l kt
kopartılmasına neden olur. Kopartılan elektron, elektrik
alanda hızlandırılarak kat kat çoğaltılır ve bir akımcık
oluşması sağlanır. En sık rastlanılan Tl ile kirletilmiş NaI
kristalidir NaI(Tl). Bunun yapılan Foton Çoğaltıcı Tüpler
(Photo Multiplier Tubes-TMP) yaygın kullanımdadır.
Organik
O
ik sintilasyon
i til
cihazları
ih l zayıff beta
b t ve düşük
dü ük enerji
ji X ve
gamma ışımaların tespitinde, inorganik sintilasyon cihazları
PMT ile görüntüleme cihazlarında sıklıkla kullanılmaktadır.
Yarı İletken Detektörler: Gamma ışını ölçümü için Si, Ge,
CdTe, HgI, CdZnTe, GaAs, CdSe, InP, Bi2Se3, AlSb gibi yarı
il tk l d yararlanılır.
iletkenlerden
l l Gamma
G
ışını ölçümü
öl ü ü ve uzaysall
hassasiyeti
nedeniyle
sintilasyon
dedektörlerine
alternatiftirler.
alternatiftirler
Gamma ışını yarı iletken malzemeye çarptığında enerji yüklü
bir elektron kopartır (ışık fotonu değil). Oluşan elektron ve
artı yüklü boşluk, artı ve eksi yüklü elektrotlara çekilir. Bu
sayede elektrotlar arasında doğrudan bir elektriksel darbe
( l ) oluşur.
(puls)
l
H gamma ışını ayrı bir
Her
bi darbe
d b oluşturarak
l t
k
elektronik sinyaller sayılır.
Amaç
Nal(Tl)
BGO
Bi4Ge3O12
GSO
Gd2SiO5
LSO
Lu2SiO5(Ce)
Yoğunluk (g/cm3)
Yüksek g-ışın
deteksiyon verimi
3,67
7,13
6,71
7,40
Efektif atom no.
Yüksek g-ışın
deteksiyon verimi
51
74
59
66
Decay zamanı (nsn)
İyi koinsidens
zamanlaması
230
300
60
40
Işığın kristalden
PMT e iyi geçişi
1 85
1,85
2 15
2,15
1 85
1,85
1 82
1,82
Emisyon dalga boyu
( )
(nm)
PMT cevabı için iyi
bi eşleşme
bir
l
410
480
430
420
Rölatif ışık verimi
[%NaI(Tl)]
Yüksek sayım
verimi
100
15
30
75
Sağlamlık
Daha küçük
boyutlu kristal
üretimi
Hayır
Evet
Hayır
Evet
Evet
Hayır
Hayır
Hayır
Kırılma indisi
Hidroskobiklik
Basit paketleme
Foton
F
t Çoğaltıcı
Ç ğ lt Tüp
Tü
Photon Multiplier Tüpe (PMT)
Gama kameralarda sistem kompanentleri
•
Şematik sunum
X-
Katot ışını tüpü
(monitör)
Z
Y
PYA
PMT(foton çoğaltıcı tüp)
Işık
ş yönlendirici
yö e d c
NaI(Tl) kristali
kolimatör
organ
PET, halka şeklinde dizilmiş bir seri sintilasyon kristali
ve bu kristallere birleştirilmiş Foton Çoğaltıcı
Tüplerden
l d (PMT)
(
) oluşmuştur.
l
A
Ayrıca
görüntünün 3
boyutlu olarak elde edilebilmesinin sağlamak için
kullanılan bir bilgisayar sistemi bulunmaktadır.
GAMA KAMERALAR
• 1957’de Hall Anger icad etti.
• 1970
1970’lerde
lerde SPECT yapabilen kameralar,
kameralar
• 1990’larda PET yapabilen kameralar rutin
kullanıma girdi
girdi.
Gama kamera komponentleri
• Kolimatör: Fotonları yönlendirir. Saçılmış
f t l ddurdurur.
fotonları
d
• NaI(Tl): Gama fotonlarını sintilasyona
y
dönüştürür.
• Işık yönlendirici: Sintilasyonları PMT’ye
PMT ye
fokuslar.
• PMT (Foton çoğaltıcı tüp) : Sintilasyonları
elektrik enerjisine dönüştürür.
KOLİMATÖRLER
• Paralel hol
Pin hol
•
•
•
Obj
Obje fokus
f k mesafesinde
f i d olmalı
l l
Tiroid ve göz sintigrafilerinde kullanılır.
Objeyi büyütür, rezolüsyonu artırır.
Koll.-Obje
K
ll Obj yakın
k olmalıdır.
l ld
Büyük organlar görüntülenir.
PET/CT
Kalp ve Beyin görüntüleme amaçlı
Gama Kamera
Değişken açılı Gama Kamera
Kaynaklar:
Demir, Mustafa: Nükleer Tıp Fiziği Ders Kitabı.
Rektörlük Yayın No: 4252. İstanbul 2000.
Önen, Sinan: Radyasyon Biyofiziği Ders Kitabı.
Rektörlük Yayın
Ya ın No: 3789.
3789 İstanbul
İstanb l 1993