Wechselwirkung von Strahlung mit Materie

1. Geladene Teilchen 1.1 schwere Teilchen 1.2 Elektronen2. Neutrale Teilchen 2.1 Photonen 2.2 Neutronen

Central Au+Au collision at 25 AGeV:URQMD + GEANT4

160 p 400 -

400 + 44 K+ 13 K-

Bethe-Bloch

Bethe-Bloch Formel:

Energieverlust geladener Teilchen in Materie

Notation:„dE/dx“ = dE/(ρdx)mit ρ als Dichte

Reichweite geladener Teilchen in Materie

Notation:„R/M“ = Rρ/Mmit ρ als Dichte.M ist Masse des Projektils.

Reichweite und Energieverlust-Streuung

Der Energieverlust geladener Teichen ist am Ende ihrer Reichweite am größten:

Energieverlust ist statistischer Prozess.Bethe-Bloch: mittlerer Energieverlust Landau Verteilung: dE in dünnem Absorber

Energieverlust und Reichweite geladener Teilchen

Tumortherapie mit Ionen

Beam energy variation

Rasterscan

Online positron emission tomography

Positron emission tomography after radiation

Simulation of the applied dosebefore radiation

Tumortherapie mit Ionenstrahlen an der Universitätsklinik in Heidelberg (im Bau)

Energieverlust von Elektronen in Materie

Cherenkov-Effekt:Bewegt sich ein geladenes Teilchen durch ein Medium schneller als Licht,

emittiert es Cherenkov-Strahlung: v > c/n (n ist Brechungsindex des Mediums)

Emission einer kohärenten Wellenfront: cosθ = 1/(βn)

Cherenkov-Licht

Übergangsstrahlung

Θ = 1 /γ

Vielfachstreuung geladener Teilchen in Materie

13.6 MeV

Wechselwirkung geladener Teilchen mit Elektronen der Materie:

Inelastische Streuung: Energieverlust

Elastische (Rutherford) Streuung: Ablenkung

Viele elastische Streuungen: Ablenkwinkel näherungsweise Gauss-verteilt um Mittelwert

Material Z A X0 [g/cm2] X0/ [cm] Ec [MeV]

Wasserstoff

1 1.01 63 700 000 350

Helium 2 4.00 94 530 000 250

Lithium 3 6.94 83 156 180

Kohlenstoff 6 12.01 43 18.8 90

Stickstoff 7 14.01 38 30 500 85

Sauerstoff 8 16.00 34 24 000 75

Aluminium 13 26.98 24 8.9 40

Silizium 14 28.09 22 9.4 39

Eisen 26 55.85 13.9 1.76 20.7

Kupfer 29 63.55 12.9 1.43 18.8

Silber 47 109.9 9.3 0.89 11.9

Wolfram 74 183.9 6.8 0.35 8.0

Blei 82 207.7 6.4 0.56 7.4

Luft 7.3 14.4 37 30 000 84

Wasser 7.5 14.2 36 36 83

Plastik 40 34Aeff = fiAi mit fi = Ai/Atot

Strahlungslängen und kritische Energien für verschiedene Materialien

Photoeffekt

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Compton-Streuung

Paarbildung

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

1. Mehrfache Comptonstreuung, unvollständiger Energieverlust.

2. Mehrfache Comptonstreuung + Photoeffekt, vollständiger Energieverlust.

3. Paarbildung, Positronen-Vernichtung, Comptonstreuung, Photoeffekt. Vollständiger Energieverlust.

4. Paarbildung, Verlust eines Vernichtungsquants. 5. Paarbildung, Verlust beider Vernichtungsquanten

Gamma-Spektroskopie

Photolinie

Photolinie:Photoeffekt deponiertGesamtenergie im Detektor

Comptonkante:Maximaler Energieübertrag auf das Elektron, gestreutes Photon verlässt Detektor

Single und Double Escape:Verlust eines oder beider Photonender Elektron-Positron Vernichtungs-Strahlung nach Paarbildung

Rückstreulinie (backscatter peak):Comptoneffekt außerhalb desDetektors, rückgestreutes γ-Quant im Detektor deponiert

Totaler Photonen Wirkungsquerschnitt

Neutronen Wirkungsquerschnitte