Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření

J A D E R N Á F Y Z I K A
a
FYZIKA IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ
Atomy a atomová jádra, jaderná a radiační fyzika, radioaktivita, jaderné reakce a jaderná energie, elementární částice a urychlovače, detekce a spektrometrie ionizujícího záření, aplikace ionizujícího záření, rentgenová diagnostika, radioterapie, radioisotopová scintigrafie a nukleární medicína, biologické účinky záření a radiační ochrana

Vojtěch Ullmann

1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda
Vědění: zkušenost + věda. Informovanost - vzdělání - moudrost.
Příroda a její členění - mikrosvět, makrosvět, megasvět.
Metody a nástroje zkoumání přírody - vizuální pozorování, mikroskopie, spektrometrie, rozptylové experimenty, interakce a srážky částic na urychlovačích, astronomické dalekohledy a spektrometry, detekce kosmického záření, neutrin, gravitačních vln. Mohutné mikroskopy do nitra hmoty a teleskopy do raných fází vesmíru.
Přírodní vědy - fyzika, chemie, biologie. Matematika. Filosofie. Redukcionismus, analytická a syntetická metoda poznávání.
Metodické členění fyziky - fyzika experimentální, teoretická, aplikovaná fyzika.
Oborové členění fyziky - mechanika, termodynamika, elektrodynamika, optika, atomová a jaderná fyzika.
Teoretické koncepce moderní fyziky - teorie relativity (speciální a obecná), kvantová fyzika.
Významné přírodovědecké objevy - náhoda nebo metoda? - úloha náhody a metodického postupu při objevování nových přírodních zákonů (příklad magnetických účinků el. proudu, X-záření, radioaktivity).
"Nová" a "stará" fyzika - kontinuita vědeckého poznání - princip korespondence, jednoduchost a logická úspornost - Occamova břitva, empirické testování a vyvratitelnost teorií - Popperovo kritérium falsifikace.
Racionalita - intuice - fantazie v přírodovědě - úloha racionální logické analýzy a intuitivního odhalování nových sjednocujících přírodních zákonů.
Unitarizace ve fyzice - sjednocování fundamentálních interakcí - unitární teorie pole.
Fyzika - krása a dobrodružství poznání !

1.1. Atomy a atomová jádra
Látka, pole, částice, interakce - základní stavební částice hmoty, 4 základní interakce, klasické a kvantové modely v mikrosvětě.
Vakuum - prázdnota - nicota ? - vakuum v klasické fyzice a kvantové teorii pole. Energie vakua - pravé a falešné vakuum, jeho úloha ve vesmíru.
Elektromagnetické pole a záření – elektrické a magnetické pole, určující úloha elektrodynamiky pro stavbu hmoty, elektromagnetické vlny.
Elektromagnetické spektrum - radiovlny, infračervené, viditelné a ultrafialové záření, rentgenové záření, gama záření.
Částicově-vlnový dualismus - korpuskulární vlastnosti vlnění, záření černého tělesa, fotoelektrický jev, kvantování - fotony. Vlnové vlastnosti částic, Davisonův-Germerův pokus, vznik kvantové mechaniky.
Speciální teorie relativity - kinematické efekty- dilatace času, dynamické efekty - závislost hmotnosti na rychlosti, ekvivalence hmoty a energie.
Kvantová fyzika - vlnové funkce, operátory, relace neurčitosti, vlnové rovnice, Schrödingerova rovnice, diskrétní stavy, pohyb částice v potenciálové jámě, kvantový tunelový jev. Dovolené a zakázané přechody.
Kvantový moment hybnosti - orbitální a vnitřní - spin. Magnetický moment - buzení magnetického pole rotací nabitých částic, Bohrův magneton pro elektrony, jaderný magneton pro protony, korekční g-faktor, magnetický moment protonu a neutronu, kvarkový původ magnetických momentů nukleonů.
Kvantová teorie pole - prvotní a druhotné kvantování, superpozice vln a harmonických oscilátorů, kvanta pole, nové pojetí síly - výměna intermediálních částic, virtuální a reálné částice. Feynmanovské kvantování dráhových integrálů.
Některé gnoseologické aspekty - Je svět spojitý či diskrétní? , Poznatelnost či nepoznatelnost světa?
Neobvyklé a paradoxní kvantové efekty - kvantový tunelový jev, Schrodingerova kočka, kvantová provázanost, teleportace, kvantové počítače.
Stavba atomů - molekulová a atomová struktura hmoty, Thomsonův "pudinkový" model atomu, Ruthefordův rozptylový experiment - elektronový obal a jádro atomu.
Planetární model atomu - podmínka rovnováhy, nestabilita - rozpory s elektrodynamikou a spektroskopií.
Bohrův model atomu - kvantování elektronových drah, Pauliho princip, obsazování a konfigurace elektronových hladin.
Záření atomů - excitace a deexcitace energetických hladin, dovolené a zakázané přechody, čárové a spojité spektrum, spektrum absorbční a emisní.
Interakce atomů - chemické slučování atomů - sdílení elektronů, kovalentní a iontová vazba, reakce edotermické a exotermické, kinetika reakcí, řetězová chemická reakce. Struktura molekul, vazby atomů a molekul v látkách, tepelné pohyby atomů a molekul.
Elektromagnetické a optické vlastnosti látek - elektrické náboje v látkách, elektronová a iontová vodivost, polarizace dielektrika, permitivita. Magnetizace látek - magnetická permeabilita, látky diamagnetické, paramagnetické, feromagnetické, permanentní magnety. Šíření elektromagnetických vln v látkách - rychlost elektromagnetických vln v dielektriku, disperze světla, index lomu a Snellův zákon, zákon odrazu, geometrická optika. Piezoelektrický jev, magnetostrikce, termoelektrický a fotoelektrický jev, elektroluminiscence, elektrické výboje v plynech, elektrochemické jevy.
Plasma - "4.skupenství hmoty" - vznik plasmatu, jeho elektromagnetické vlastnosti, plasmové oscilace.
Stavba jádra - protony a neutrony, izotopy. Silná jaderná interakce - Yukawův potenciál, podstata silných interakcí mezi kvarky, zbytkový projev mezi nukleony v jádře. Energetické hladiny nukleonů v jaderném potenciálu, vazbová energie atomových jader.
Modely atomového jádra - kapkový model, statistický model, model složeného jádra, slupkový model jádra.
Původ a vznik jader a atomů prvků - kosmická nukleogeneze - "jsme potomky hvězd!" - primordiální kosmologická nukleogeneze, termonukleární reakce ve hvězdách, výbuch supernovy a vznik těžkých prvků. Relativní zastoupení prvků ve vesmíru a na Zemi, výběrové mechanismy chemické diferenciace, vzácné a exotické prvky, zaniklé (vymřelé) radionuklidy; hélium - "prvek boha Slunce".

1.2. Radioaktivita
Podstata radioaktivní přeměny, objev radioaktivity přírodní a umělé, zkoumání vlastností záření.
Obecné zákonitosti přeměny atomových jader - jednotky radioaktivity, exponenciální zákon radioaktivního rozpadu, poločas přeměny (rozpadu), vztah poločasu a aktivity, různá rychlost a poločasy radioaktivních rozpadů, vymřelé (zaniklé) radionuklidy.
Směsi radionuklidů - rozpadové řady, radioaktivní rovnováha sekulární a transientní, radionuklidové generátory.
Doprovodné jevy při radioaktivitě - zpětný odraz jader, tepelné a elektrické účinky radioaktivity, nezávislost radioaktivního rozpadu na vnějších podmínkách, chemické vlastnosti radioaktivních látek, nascentní atomy.
Radioaktivita alfa – vznik a vlastnosti částic a, posunovací pravidlo.
Radioaktivita beta^- – vznik částic b^- transmutací kvarků v neutronech, posunovací pravidlo, nezachování parity a asymetrie úhlového rozložení elektronů b, spojité spektrum záření b, neutrina. Beta^- rozpad do vázaných elektronových stavů.
Neutrina - "duchové" mezi částicemi - vznik a druhy neutrin, oscilace neutrin. Odlišnost neutrin a antineutrin - helicita neutrin. Goldhaberův pokus.
Detece neutrin - podzemní detektory (SuperKamioka NDE, SNO, KAMLAND, CNGS+OPERA, ...), podmořské a ledovcové detektory (AMANDA, ICECUBE, ANTARES, ...). Klidová hmotnost neutrin, astrofyzikální a kosmologický význam neutrin.
Radioaktivita b⁺ - vznik pozitronů v jádře transmutací protonů, vlastnosti pozitronů, pozitronium, anihilace. Rozdíl energetického spektra beta^- a beta⁺.
Elektronový záchyt (EC) - sloučení elektronu s protonem, K- a L-záchyt. Vznik charakteristického X-záření a Augerových elektronů při elektronovém záchytu. Vliv struktury atomového obalu a chemických vazeb na EC.
Mechanismus radioaktivity beta - slabé interakce, transmutace kvarků, intermediální bosony W^-^,+, Z^o.
Záření gama – excitované jaderné hladiny, deexcitace hladin a vyzáření fotonů g , vlastnosti záření g, energetické spektrum. Úhlové korelace dvojic kaskádních fotonů gama-gama. Rychlost deexcitace a vyzáření g, jaderná izomerie a metastabilita hladin, čisté gama radionuklidy, ^99mTc, radionuklidové generátory.
Terminologická dohoda: záření g z jader, záření X z obalu + brzdné záření.
Vnitřní konverze záření gama a X - konverzní elektrony, charakteristické X-záření, Augerovy elektrony, Coster-Kronigovy elektrony.
Smíšená (kombinovaná) radioaktivita - větvené přeměny - mechanismus, parciální poločasy a efektivní poločas, větvící poměr (branching ratio), větvené přeměny [beta^--EC], [alfa-beta^-], [alfa-spontánní štěpení].
"Exotické" druhy radioaktivity - spontánní štěpení těžkých jader; radioaktivita vyšší než a-héliová - "clusterová" radioaktivita; protonová a neutronová radioaktivita; mionová, pionová, hyperonová radioaktivita (??).
Stabilita a nestabilita jader - mapa nuklidů, vazbová energie nukleonů, trojrozměrná tabulka nuklidů, údolí stability, energetická analýza stability a radioaktivity jader.

1.3. Jaderné reakce a jaderná energie
Základní zákonitosti jaderných reakcí - zákony zachování, účinný průřez reakcí, impaktní parametr interakce. Jaderná "alchymie".
Interakce částic s jádry - pružný a nepružný rozptyl, excitace, jaderné reakce, tříštění jader (spalační reakce), kvark-gluonová plasma..
Mechanismy jaderných reakcí - přímé procesy, strhování (stripping) a nabírání (pick-up) nukleonů, reakce přes složené jádro.
Druhy jaderných reakcí - reakce vyvolané neutrony, protony, deuterony, a-částicemi, těžšími ionty, elektrony, zářením gama - fotojaderné reakce. Vysokoenergetické srážky těžších jader. Kvark-gluonová plasma.
Jaderná energie - vazbová energie atomových jader, energetická bilance štěpení těžkých jader a fúze lehkých jader. Dva základní způsoby získávání jaderné energie - štěpení těžkých jader a slučování lehkých jader.
Radionuklidové voltaické články ("atomové" baterie)- betavoltaické články - přímé buzení, polovodičové nukleární baterie, termočlánky.
Štěpení atomových jader - štěpná jaderná reakce, úloha neutronů, štěpení rychlými a pomalými neutrony, štěpné produkty. Řetězová štěpná reakce a její dynamika, kritické množství, explozívní reakce a jaderná bomba.
Jaderné reaktory - řízená řetězová reakce a její dynamika, multiplikační faktor, kritické množství. Štěpné materiály (uran-235, plutonium-239), příprava štěpného materiálu, obohacování 235-U. Generace jaderných reaktorů a účely jejich použití.
Konstrukce jaderných reaktorů - jaderné palivo, moderátory a absorbce neutronů, neutronové "jedy" a "otrava" reaktoru, řízení a regulace reaktorů. Základní typy jaderných reaktorů, jaderné reaktory na bázi roztavených solí, moderátorově samoregulační kompaktní reaktory, chlazení reaktorů, zbytkové teplo, jaderné odpady, poruchy a havárie jaderných reaktorů.
Havárie jaderných reaktorů - základní příčiny havárií, havárie při řetězové reakci a při odstaveném reaktoru, příklady havárií reaktorů - Černobyl, Fukushima.
Bezpečnost a rizika jaderné energetiky, inherentně bezpečné reaktory. Přírodní jaderné reaktory? - (uranový důl Oklo).
Rychlé množivé reaktory FBR s uran-plutoniovým palivovým cyklem, množivé reaktory s thorium-uranovým palivovým cyklem.
Jaderné odpady - jejich ukládání a recyklace.
ADTT - jaderné reaktory s externím zdrojem neutronů, urychlovačem řízená transmutační technologie.
Transurany - vznik, vlastnosti, lehčí transurany z reaktorů, příprava nejtěžších transuranů v urychlovačích. Možnosti využití transuranů.
Slučování atomových jader - termojaderné reakce, termojaderné fúze ve hvězdách, termojaderný výbuch. Řízená termonukleární reakce - plasma - 4.skupenství hmoty.
Podmínky pro kladný energetický výtěžek nukleární fúze - Lawsonovo kritérium.
Inerciální fúze - laserové reaktory, setrvačné udržení plasmy, termonukleární "mikro.expolze", dodatečné rychlé zapálení.
Tokamak a stellarátor - magnetické udržení plasmy, plasmový výboj, pinch-efekt, induktivní ohmický ohřev, dodatečný neinduktivní ohřev radiovlnami a neutrálními atomovými svazky.
Energetické využití nukleární fúze - koncepce termonukleární elektrárny, ....
Obtíže a perspektivy termonukleární fúze - nestabilita plasmy, tepelná a radiační degradace materiálů, získávání tritia, tokamak ITER, ................
Alternativní možnosti jaderné fúze - elektrostatické udržení plasmy - fusory, polywell; mionová katalýza fúze; alternativní fúzní reakce....
Možnosti získávání energie z hmoty - srovnání účinnosti chemických reakcí, štěpení jader, syntézy jader, gravitace, anihilace hmoty s antihmotou.
Energie - život - společnost - malé zamyšlení nad spotřebou energie, jejím získáváním a šetřením v lidské společnosti.

1.4. Radionuklidy
Přírodní radionuklidy - primární, sekundární, kosmogenní radionuklidy. Rozpadové řady - thoriová, uranové 238 a 235, neptuniová.
Geologický význam přírodní radioaktivity.
Radioisotopové (radiometrické) datování - exponenciální zákon rozpadu jako chronometr, základní předpoklady. Radiouhlíková datovací metoda. Dlouhodobé datování minerálů - metoda K-Ar, U-Th-Pb, isochronní metoda datování, konkordantní datování.
Výroba umělých radionuklidů - jaderné reakce, účinné průřezy a dynamika produkční reakce. Výroba radionuklidů v reaktoru a v cyklotronu. Sekundární radionuklidy, radionuklidové generátory, in vivo generátory v nukleární medicíně.
Chemické sloučeniny radionuklidů - chemické vlastnosti radioaktivních atomů, radiochemie, radioisotopové značení. Radioaktivní preparáty, radioindikátory, radioterapeutika. Radiační rozklad (radiolýza) značených preparátů.
Rozpadová schémata radionuklidů - zakreslování radionuklidů podle protonového čísla a energetických hladin, zakreslování radioaktivních přeměn alfa, beta^-,+, EC, izomerních přechodů. Větvená rozpadová schémata.
Nejdůležitější radionuklidy - přehled a vlastnosti nejrozšířenějších a nejčastěji používaných radionuklidů, jejich přeměnová schémata, gama-spektra, způsoby výroby, použití:
Vodík - ¹H, deuterium ²H - význam pro jadernou fyziku, tritium ³H ; Hélium - význam pro jadernou fyziku (alfa-radioaktivitu); Lithium, Berylium, Bór - ⁷Be, ¹⁰Be, ⁸Be (význam při termonukleární fúzi hélia na uhlík v nitru hvězd); Uhlík - radiouhlík ¹⁴C, ¹¹C; Dusík, Kyslík, Fluor - pozitronové radionuklidy; Fosfor, Síra - ³²P, ³³P, ³⁵S; Sodík, Draslík - ²²Na, ⁴⁰K; Skandium - ⁴⁴Sc , ⁴⁷Sc ; Železo, Chrom - ⁵¹Cr, ⁵⁵Fe, ⁵⁹Fe; Kobat - ⁶⁰Co, ⁵⁷Co, ⁵⁸Co; Měď, Galium, Germanium, Selen - ⁶⁴Cu , ⁶⁷Cu , ⁶⁷Ga, ⁶⁸Ga, ⁶⁸Ge, ⁷¹Ge, ⁷⁶Ge, ⁷⁵Se ; Rubidium-Krypton - ⁸¹Rb, ⁸⁷Rb, krypton ^81mKr - scintigrafie plicní ventilace, ⁸¹Kr, ⁸⁵Kr; Strontium-Ytrium - ⁸⁹Sr, ⁹⁰Y, ⁸⁶Y; Zirkonium - ⁸⁹Zr; Molybden-Technecium - ⁹⁹Mo, ^99mTc, Mo-Tc generátor; Indium, Cín - ¹¹¹In, ¹¹³Sn, ^113mIn; Jód - radiojód ¹³¹I, ¹²³I, ¹²⁵I, ¹²⁹I, ¹²⁴I; Cesium - ¹³⁷Cs; Baryum - ¹³³Ba; Samarium - ¹⁴⁷Sm,¹⁴⁸Sm, ¹⁵³Sm; Europium - ¹⁵²Eu, ^152mEu, ¹⁵⁴Eu, ¹⁵⁵Eu; Gadolinium - ¹⁵³Gd; Erbium, Yterbium, Terbium - ¹⁶⁹Er, ¹⁶⁹Yb , ¹⁴⁹Tb; Lutetium - ¹⁷⁶Lu, ¹⁷⁷Lu; Wolfram, Rhenium - ¹⁸⁸W,¹⁸⁵Re, ¹⁸⁶Re, ¹⁸⁸Re; Iridium - ¹⁹²Ir; Thalium - ²⁰¹Tl; Olovo, Bismut - ²¹⁰Pb, ²¹²Bi, ²¹⁴Bi; Thorium, Uran, Radium, Aktinuim, Radon - thorium ²³²Th, ²²⁷Th, uran ²³⁵U,²³⁸U, radium ²²⁶Ra a ²²³Ra, aktinium ²²⁵Ac, radon ²²²Rn; Transurany - plutonium ²³⁹Pu, americium ²⁴¹Am, kalifornium ²⁵²Cf .
Tabulka nejdůležitějších radionuklidů - radionuklid - poločas rozpadu - energie alfa, beta, gama - způsob výroby - použití.

1.5. Elementární částice a urychlovače
Existují elementární částice? ; "kuličkový" model. Částice "elementární" a "složené". Nerozlišitelnost částic.
Fyzikální charakteristiky elementárních částic a kvantová čísla - klidová hmotnost, doba života, velikost, rozměry a tvar částic?, elektrický náboj, spin, parita, leptonové a baryonové číslo. Intermediální a virtuální částice; proč existují "exotické" částice?
Systematika elementárních částic: leptony - baryony - mezony, hadrony, fermiony - bosony, podivné částice.
Fermiony v úloze bosonů; Supravodivost - Cooperovy páry elektronů, supravodiče I. a II.typu, supravodivé elektromagnety, vysokoteplotní supravodivost.
Antičástice - antiatomy - antihmota - antisvěty - Diracovské a Majoranovské částice, anihilace částic s antičásticemi, kombinované soustavy částice-antičástice, antiatomy, výskyt antihmoty ve vesmíru - antisvěty, antivesmíry. Výroba antihmoty - antivodík, decelerace antiprotonů, AEGIS. Antihmota: možný zdroj energie? - Leidenfrostova bariéra, anihilační reaktor, fotonová raketa - kritické posouzení.
Interakce elementárních částic - obecné zákonitosti interakcí, fyzikální pole a intermediální výměnné částice, dosah interakcí. Podíl silných, slabých a elektromagnetických interakcí, účinný průřez interakce, impaktní faktor, srážky centrální a periferní, rezonanční interakce, Breit-Wignerova formule.
Mechanismy interakcí, výměnné částice - Feynmanovy diagramy - interakční vrcholy, intermediální částice virtuální a reálné, příklady Feynmanových diagramů u procesů s elektromagnetickou, (elektro)slabou a silnou interací, využití diagramů v S-matici kvantové teorie pole.
Interakce při vysokých energiích, vznik nových sekundárních částic, kaskády interakcí, elektronové a hadronové spršky částic, analýza dynamiky interakcí částic - Dalitzův diagram, rezonance účinných průřezů, energetická bilance.
Elementární částice a jejich vlastnosti - elektrony a pozitrony, pozitronium, anihilace. Protony a neutrony (+ antiprotony a antineutrony), fotony, neutrina, miony m a tauony t, mezony p a K, hyperony (L, S, X, W), bosony W⁺, W^-, Z^o. Podivnost částic - sdružená párová produkce K-mezonů a hyperonů v silné interakci, nezachování podivnosti v rozpadech slabou interakcí.
Hypotetické a modelové částice - kvarky, gluony, gravitony, Higgsovy bosony, gravitina, fotina, s-částice, axiony, mag.monopóly, tachyony, leptokvarky, superstruny; zrcadlová hmota? - katoptrony...
Unitární symetrie a multiplety částic - izospin, podivnost, hypernáboj; jsou "elementární částice" skutečně elementární?
Kvarková struktura hadronů - mezonové a baryonové multiplety. Uvězněné kvarky, kvark-gluonová plasma - "5.skupenství hmoty", hadronizace kvarků; preony.
Čtyři typy interakcí - interakce gravitační, elektromagnetické, silné a slabé; jejich vlastnosti. Úloha jednotlivých interakcí při fungování světa.
CPT symetrie interakcí - C-symetrie nábojového sdružení, P-symetrie zachování parity a její porušení při slabých interakcích, T-symetrie inverze času, kombinované symetrie. Porušení symetrií a jejich kosmologické důsledky.
Standardní model - jednotné chápání elementárních částic - 3 generace fundamentálních kvarků a leptonů, kvanta nositelů interakcí. Preonová hypotéza.
Unitární teorie pole a elementárních částic.
Urychlovače nabitých částic - obecné principy urychlování, úloha elektrického a magnetického pole. Kosmické urychlovače. Základní rozdělení urychlovačů - malé urychlovače pro průmyslové a medicínské využití, velké urychlovače pro výzkum ve fyzice elementárních částic. Druhy urychlovaných částic, lineární a kruhové urychlovače.
Laserové urychlovače LWFA - plasmová brázdová vlna, urychlování elektronů, dvouetapové urychlování protonů.
Primární a sekundární záření z urychlovačů. Urychlovače jako zdroje fotonového záření. Urychlovače jako neutronové generátory. Urychlovače jako generátory synchrotronového záření - undulátory, viglery.
Iontové zdroje, terčíky, vstřícné svazky -collidery.
Lineární urychlovače - elektrostatické a vysokofrekvenční.
Kruhové urychlovače - cyklotron, synchrotron, betatron, mikrotron.
Elektrické napájení urychlovačů - napájení urychlovacích elektrod, iontového zdroje, elektromagnetů, vakuovýchj a chladících systémů, řídící a regulační elektronika.
Vysokofrekvenční generátory - magnetron, klystron dvouokruhový a reflexní; gyrotron.
Elektromagnety v urychlovačích - tvarování dráhy nabitých částic, dipólové a kvadrupólové elektromagnety. Supravodivé elektromagnety - supravodivé materiály, kontinuální a perzistentní režim supravodivých magnetů, zapnutí a vypnutí supravodivého proudu, teplotně ovládané supravodivé klíčování, quench supravodivého elektromagnetu, využití supravodivých magnetů.
Velké urychlovače - Large Hadron Collider LHC - detekční systémy ATLAS, ALICE, CMS, LHCb.
Koncepční perspektivy velkých urychlovačů - synchrotronové záření; Kruhové nebo lineární urychlovače?; Protonové nebo elektronové urychlovače?; Vesmírné urychlovače?

1.6. Ionizující záření
Záření jako důležitý přírodní fenomén - šíření vln a pohyb částic, vakuum a látkové prostředí, absorbce a rozptyl záření, sekundární záření, změny spektrálního složení. Přenos informace zářením, energie a účinky záření na hmotu. Elektronika - optoelektronika - fotonika.
Definice a druhy ionizujícího záření - záření přímo a nepřímo ionizující, záření vlnové a korpuskulární. Fotonové X a gama záření, alfa a beta záření, méně obvyklé a "exotické" druhy záření - neutronové, protonové, těžší jádra, mionové a pionové záření, antiprotonové, neutrinové záření.
Fyzika ionizujícího záření - radiační fyzika, radiologická fyzika, dozimetrie, radiobiologie, využití záření v diagnostice a terapii - obory radiologie.
Zdroje ionizujícího záření - elektronické (rentgenky, urychlovače, lasery), radioisotopové (uzavřené a otevřené zářiče), kosmické záření, atmosférické elektrické výboje. Zdroje nízkoenergetické (kilovoltážní) a vysokoenergetické (megavoltážní).
Fyzikální veličiny charakterizující ionizující záření - energie záření, spektrum, radiační výkon a emise zdroje, úhlová emise a směrová vyzařovací charakteristika (izotropní, anizotropní).
Pole a svazek záření, intenzita záření - fluence částic a energie, distribuce intenzity a dávky, intenzita záření z radioaktivních zdrojů. Isodosní křivky, vymezení svazku záření, kolimace.
Interakce záření při průchodu hmotou - silné, slabé a elektromagnetické interakce kvant záření, účinný průřez interakce záření s atomy látky, dolet záření. Vícenásobné interakce, elektronové a hadronové spršky částic. Sekundární záření generované při interakcích záření s látkou, albedo.
Interakce nabitých částic - přímo ionizující záření - excitace a ionizace, lineární přenos energie, Braggova křivka, pronikavost a dolet záření ve vzduchu a látkovém prostředí. Pružný a nepružný rozptyl záření, brzdné záření, cyklotronové a synchrotronové záření, fotoefekt a charakteristické X-záření. Interakce záření b^-, b⁺, a, protonového, deuteronového, těžších iontů, mionového záření. Elektrické nabíjení při interakcích záření.
Čerenkovovo záření - mechanismus vzniku (polarizace-depolarizace, interference), spektrum a úhlové rozdělení, prahové energie, využití pro detekci záření.
Přechodové záření - průchod nabitých částic nehomogenním prostředím, rozhraní indexu lomu, vznik přechodového záření; impaktní přechodové záření.
Rentgenové (X) záření - brzdné záření, vznik X-záření v rentgenkách, charakteristické X-záření z atomů.
Interakce záření gama a X - fotoefekt, Comptonův rozptyl, tvoření elektron-pozitronových párů, jaderný fotoefekt, Mössbauerův jev jaderné rezonanční fluorescence.
Sekundární záření generované při interakcích g a X s látkou - fotoelektrony, charakteristické X-záření, Augerovy elektrony, brzdné záření, Comptonovsky rozptýlené záření, elektron-pozitronové páry, anihilační záření, světelné záření; albedo fotonového záření.
Teoretická zajímavost: Pohybuje se vysokoenergetické g-záření pomaleji než světlo? - pociťuje kvantové fluktuace prostoročasu?
Neutronové záření a jeho interakce - zdroje neutronů, rychlé a pomalé neutrony, aktivace, neutronová aktivační analýza.
"Zviditelnění" neviditelného ionizujícího záření ? -
Absorbce záření v látkách – exponenciální zákon absorbce, lineární součinitel zeslabení, souvislost s účinným průřezem interakce, problematika stínění záření gama, beta, neutronového.
Kosmické záření primární - spektrum kosmického záření, vznik a původ kosmického záření. Šíření kosmického záření ve vesmíru, magnetické zakřivování, Comptonovská a pionová interakce s reliktním zářením, GZK mez.
Sekundární kosmické záření - interakce s atmosférou, vznik kaskád a spršek částic - elektron-pozitronové, mionové a hadronové spršky. Kosmogenní radionuklidy - radiouhlíková datovací metoda.
Detekce a spektrometrie kosmického záření - detekce primárního kosmického záření, druhy detektorů, experimenty na balonech a kosmických družicích. Detekce sekundárního kosmického záření - pozemní scintilační a Čerenkovovy detektory, detekce fluorescenčního záření v atmosféře; observatoř Pierre Auger.
Biologický význam kosmického záření - prebiotická evoluce, mutace a stimulace výběrové evoluce; rizika smrtícího záblesku kosmického záření.

2.1. Metodika detekce ionizujícího záření
Základní rozdělení detektorů ionizujícího záření - kontinuální a kumulativní detektory ionizujícího záření; detektory fotografické, elektronické, materiálové. Elektronika, optoelektronika, fotonika.
Komplexnost detekční informace - prosté detektory a intenzimetry, spektrometry ionizujícího záření, kalorimetry, detektory zobrazovací (kamery), dráhové detektory částic - trackery. Spektrometrie - mocný nástroj fyzikálního poznání a aplikací záření.
Stínění, kolimace a filtrace detekovaného záření, mechanická a elektronická kolimace.
Uspořádání a konfigurace detektorů záření - jeden detektor, vícedetektorové systémy, detekční systémy pro interakce vysokoenergetických částic, trackery, spektrometry a kalorimetry.
Elektronické zapojení a zpracování signálu z detektorů - elektrické napájení detektoru, tvarování, třídění a sumace impulsů, koincidenční a antikoincideční zapojení detektorů, trigrování, záznam signálů a vyhodnocování výsledků
Obecné fyzikální a přístrojové vlivy při detekci a spektrometrii - detekční účinnost absolutní a vnitřní, časové rozlišení a mrtvá doba; energetické rozlišení, nelinearita; rozptýlné záření a sekundární záření; pozadí - z vnější radiace, vnitřní radioaktivita materiálu detektoru, elektronické šumy; časové nestability, stárnutí a radiační opotřebování detektorů. Neutronové a vysokoenergetické záření - možnost vzniku radiačně indukované radioaktivity a vnitřní kontaminace detektorů.
Problematika měření při nízkých a vysokých energiích a intenzitách záření.

2.4. Scintilační detekce a spektrometrie záření gama
Principy scintilačních detektorů - interakce fotonového záření a vznik scintilací, druhy scintilátorů a jejich vlastnosti.
Scintilační detektory pro záření gama - konstrukce scintilačních krystalů, planární (ploché) a studnové krystaly, optický kontakt s fotonásobičem.
Fotonásobiče - princip činnosti, konstrukce. Fotokatoda - kvantová a spektrální citlivost. Dynody - provedení, uspořádání lineární, kompaktní kruhové, lamelové (žaluziové). Kontinuální kanálkové dynody - channeltrony, multikanálové deskové fotonásobiče MCP.
Zobrazovací polohově citlivé multianodové fotonásobiče PSPMT (Position Sensitive Photomultiplier), hybridní fototonové detektory HPD (Hybrid Photon Detector) - jednoduché a zobrazovací pixelové. Polovodičové "křemíkové" fotonásobiče (SiPM - SPM - SSPM - MPPC) - lavinové fotodiody APD, Geigerův režim, matice APD elememtů.
Fyzikální vlastnosti fotonásobičů - celková citlivost, spektrální citlivost fotokatody, linearita odezvy, časová konstanta, odstup signál-šum. Nepříznivé vlivy u fotonásobičů - temný proud a šum fotonásobiče, nehomogenita sběru elektronů, vliv magnetického pole, "únava" dynod a přetížení fotonásobiče.
Výhody scintilačních detektorů oproti G.-M. detektorům - detekční účinnost, mrtvá doba, spektrometrické vlastnosti.
Elektronické zapojení a zpracování impulsů scintilačního detektoru - vysoké napětí pro napájení scintilačních sond, odporový dělič pro dynody, jednožilové a vícežilové zapojení fotonásobičů. Pracovní rezistor a oddělovací kondenzátor, zesilovač impulsů, analyzátor impulsů - integrální a diferenciální měření, analogově-digitální konvertor (ADC), mnohokanálový analyzátor.
Scintilační spektra - vznik a struktura scintilačního spektra, fotopík, energetická rozlišovací schopnost, účinnost měření, šum a pozadí, Comptonovo spojité spektrum, únikové píky, sumační koincidenční píky, anihilační píky.
Spektrometrie záření g - energetická kalibrace, kalibrace účinnosti, vyhodnocování a interpretace spekter.
Scintilátory a jejich vlastnosti - mechanismus vzniku scintilací, scintilátory anorganické a organické, vlastnosti konkrétních druhů scintilátorů. Vnitřní radioaktivita scintilačních materiálů (LSO).
Čerenkovovy detektory - vznik Čerenkovova záření, detekce fotonásobiči, prstencové zobrazovací Čerenkovovy detektory RICH (Ring Imaging Cherenkov detector).

2.7. Měření radioaktivity vzorků (in vitro)
Geometrie měření : 2p a 4p - geometrie, polohová a objemová závislost účinnosti měření, absorbce a samoabsorbce záření. Nastavení detekční aparatury.
Automatické měření sérií vzorků - vzorkoměniče pro měření sérií vzorků.
Vícedetektorové systémy - konstrukce, spektrometrické nastavení, korekce rozdílné účinnosti detektorů, kontrola funkce a standardizace. Hybridní systémy. Výhody vícedetektorových systémů.
Radiochromatografie - fyzikálně-chemický princip chromatografické separace molekul, mobilní a stacionární fáze. Chromatogram - start, čelo a píky separovaných frakcí, retardační faktor a retenční čas. Papírová, tenkovrstevná a gelová chromatografie. Vyvolání, detekce a vyhodnocení chromatogramu . Radiochromatografie radioaktivních preparátů. , molekulární analýza sekvencí molekul při chromatografii.
Radioelektroforéza - pohyb elektricky nabitých částic v elektrickém poli, fyzikálně-chemický princip elektroforetické separace molekul, molelulové síto. Gelová elektroforéza - , analýza sekvencí molekul při elektroforéze, denzitometrické a fluoroscenční vyhodnocení elektroforeogramu. Kapilární elektroforéza, využití pro sekvenování velkého počtu vzorků. Radioelektroforéza radioaktivních preparátů.
Chromatografie versus elektroforéza.

3.2. X-záření - rentgenová diagnostika
Objev X-záření, základni princip rtg zobrazení.
Zdroje X-záření - rentgenky - vznik rtg-záření, brzdné a charakteristické X-záření, vlnová délka a energie záření X, Duane-Huntův vztah.
Konstrukční provedení rentgenky - fokusace elektronů - ohnisko, chlazení a rotace anody, rentgenky rotující jako celek (typu Straton). Elektrické napájení rentgenky - vysoké napětí, žhavicí proud, střídavé napětí pro rotaci anody. Kryt rentgenky, kolimační systém, optický lokalizační systém, konstrukční uspořádání rtg přístrojů - stojany, posuvy, rotace, gantry.
Nastavení parametrů X-záření - vysoké napětí, žhavení katody a anodový proud, kolimace a filtrace X-záření.
Elektronické zobrazení X-záření - filmové zobrazení, zesilovače obrazu, digitální radiografie, přímá digitalizace - elektronické flat-panely (nepřímá konverze - scintilátor + amorfní křemík, přímá konverze - pixelové detektory), vznik digitálního rtg obrazu.
Rtg zobrazení planární - úhly a projekce rtg zobrazení, skiaskopie, skiagrafie, C-rameno, U-rameno, sklopná stěna.
Kontrastní látky - subtrakční radiografie, digitální subtrakční angiografie.
Transmisní rtg tmografie (CT) - principy, rekonstrukce, elektronické detektory X-záření pro CT. MDCT - multidetektorové, vysokorychlostní, víceřezové a spirální CT. CT se 2 rentgenkami - DSCT (Dual Source CT), DECT (Dual Energy CT) - diferenciální densitní analýza.
Tomografie s elektronovým svazkem - Electron Beam CT (EBT), EKG-hradlování, přednosti a nevýhody EBT.
Kostní densitometrie jednofotonová a dvoufotonová - DEXA (Dual Energy X-ray Absoptiometry).
RTG mamografie - nízkoenergetická rentgenka, komprese prsní žlázy, digitální mastogram, mamografická stereotaxe.
Dentální RTG - intraorální RTG, panoramatický rentgen OPG, dentální CT.
Alternativní diagnostické zobrazovací metody - ultrazvuková sonografie, nukleární magnetická rezonance, termografie, elektroimpedanční zobrazení tkáně.
Dodatek: Rentgenové dalekohledy - tečný dopad X-záření na odrazné plochy parabolické a hyperbolické, koaxiální mnohozrcadlové soustavy

3.4. Radiační analytické metody materiálů
Rentgen-fluorescenční analýza - fotoefekt, charakteristické X-ráření K_a, K_b, zdroje primárního záření, měření a spektrometrická analýza charakteristického X-záření.
Mössbauerovská spektroskopie - rezonanční jaderná absorbce záření g, energetická bilance, kompenzace Dopplerovým jevem
Neutronová aktivační analýza NAA - zdroje neutronů - reaktor a neutronový generátor, spektrometrická analýza záření gama aktivovaných vzorků; instrumentální INAA a radiochemická RNAA aktivační analýza, promptní PGNAA a zpožděná DGNAA gama-neutron aktivační analýza. Protonová a gama-aktivační analýza.
Hmotnostní spektrometrie - hmotové spektrometry a separátory.
Měření koncentrací plynů - ionizační požární hlásiče, detektory elektronového záchytu (ECD).
Nukleární magnetická rezonance NMR - metoda analytická a zobrazovací. Fyzikání princip NMR - magnetický moment protonů a dalších atomových jader, magnetické momenty jader v silném magnetickém poli, Larmorova precese v magnetickém poli, radiofrekvenční excitace a relaxace, radiofrekvenční cívky vysílací a přijímací, NMR spektrometrie a analýza. Protonová hustota, relaxační časy T1 a T2, nukleárně-rezonanční zobrazení MRI, pulzní sekvence v MRI (Saturation - recovery, Spin - echo, Inversion - recovery, Gradient - echo , fluid attenuation inversion recovery FLAIR , Susceptibility weighted imaging , Diffusion weighted imaging), MRI spektrometrie, funkční fMRI. Fyzikálně-elektronická realizace NMRI - supravodivé elektromagnety, Fourierovská analýza, K-prostor.

3.6. Radioterapie
Kancerogeneze - vznik nádorů - kumulace vícenásobných mutací, deregulace buněčného cyklu, inhibice apoptózy, immortilizace buněk, nádorová neoangiogeneze, šíření nádorových buněk a vznik metastáz.
Druhy nádorů - nádory benigní a maligní, buněčná a tkáňová povaha nádorů - epitelové karcinomy a mezenchymové sarkomy, metastatická infiltrace, TNM klasifikace anatomického rozsahu nádorových onemocnění, FIGO klasifikace (4 stádia).
Diagnostika nádorových onemocnění - zobrazovací metody: rtg diagnostika (planární a CT), ultrazvuková sonografie, gamagrafie (planární, SPECT, PET), nukleární magnetická rezonance. Endoskopie, biochemické metody, biopsie a histologické vyšetření. Primární nádorová diagnostika, diagnostika pro plánování terapie, predikce a monitorování biologické odezvy na nádorovou terapii, "molekulární" zobrazení, raná nádorová odpověď - zobrazení buněčné apoptózy.
Terapie nádorových onemocnění - základní metody léčení nádorových onemocnění - chirurgie, chemoterapie, radioterapie.
Chemoterapie nádorových onemocnění - cytostatika alkylační, mikrotubulová, antimetabolická, anticyklinová antibiotika.
Cílená biologická léčba - monoklonální protilátky, inhibitory tyrozinkináz, hormonální a genová terapie, aptamery. Imunoterapie - autologní buněčná imunoterapie, protinádorová imunitní vakcinace (nezralé a zralé dendritické buňky, jejich aktivace nádorovými antigeny, efektorové T-lymfocyty).
Alternativní metody nádorové terapie - hypertermie - fokusovaný ultrazvuk HIFU (High-Intensity Focused Ultrasound), termální ablace; kryoterapie (kryochrurgie).
Radioterapie - využití biologických účinků záření pro terapii nádorových onemocnění (radiační onkologie), degenarativních a zánětlivých postižení. Radioterapie kurativní, adjuvantní, paliativní. Tumorózní kanceroletální dávka, základní strategie radioterapie.
Kombinovaná chemo-radioterapie - účinek aditivní, radiosenzibilizační, antirepopulační. Potenciace radioterapie.
Fyzikální a radiobiologické faktory radioterapie - radiosenzitivita nádorové a normální tkáně, terapeutický poměr. Závislost biologického účinku na dávce a jejím časovém rozložení - lineárně-kvadratický (LQ) model, faktory "6R" - radiosenzitivita, reparace, repopulace, redistribuce, reoxygenace, radiačně-volumový efekt.
Frakcionace ozáření - aplikace LQ modelu, biologická ekvivalentní dávka BED. Normofrakcionace, hypofrakcionace, hyperfrakcionace, akcererovaná terapie, režim CHART. Boost - navýšení dávek, konkomitantní boost, simultánní integrovaný boost SIB.
Predikce radioterapeutického efektu - pravděpodobnost vyléčení nádoru TCP a poškození zdravé tkáně NTCP, terapeutický poměr TR, pravděpodobnost nekomplikované léčby UTCP. Časový faktor - vliv buněčné reparace a repopulace.
Konkomitantní chemo-radioterapie - LQ modelování aditivního, potenciačního (radiosenzibilačního) a anti-repopulačního efektu.
Vedlejší nežádoucí účinky radioterapie - časná akutní radiotoxicita, pozdní radiotoxicita, sekundární postradiační malignita.
Základní ozařovací techniky - teleterapie, brachyterapie, radioisotopová terapie.
Vnější ozařování zářením gama, X a elektrony (teleradioterapie) - RTG ozařovače, radioisotopové gama ozařovače ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, ozařování betatronem a lineárním urychlovačem. Ozařování elektrony. Ozařovací pole a svazky záření, kolimace, distribuce záření ve svazku, polostín.
"Zviditelnit neviditelné" - zobrazení radiačních svazků - fantomová zobrazení elektronů a fotonů pomocí Čerenkovova záření a pomocí kapalného scintilátoru, zobrazení protonových svazů (s Braggovým píkem) různých energií v kapalném scintilátoru.
Isocentrická radioterapie - gantry, rotace ozařovače, portálové zobrazení
Plánování radioterapie - simulátor klasický a virtuální, CT obrazy, 3D-plánování, oblasti zájmu (GTV,CTV,PTV), cílové a kritické objemy, isodosní křivky, ozařovací předpis. Optimalizace ozařovacího plánu - dávkově-objemové histogramy DVH (Dose Volume Histogram).
Dozimetrie a verifikace radioterapie - dozimetrické fantomy, 3-D gelové dozimetry, dozimetrie in vivo, portálová dozimetrie EPID.
Modulace ozařovacích svazků IMRT, IGRT - flexibilní multilamelové MLC kolimátory (+mikro-MLC, binární MLC), IMRT - radioterapie s modulovanou intenzitou svazku, IGRT - radioterapie řízená obrazem, con-beam CT, tomoterapie. Konformní adaptivní radioterapie, inverzní plánování. Hybridní integrované ozařovací+zobrazovací technologie [LINAC+CT], [LINAC+NMRI], [ozařovače+PET].
Stereotaktická radioterapie SBRT (stereotaktická ablativní radioterapie SABR, SABRT) - Leksellův gama-nůž, radioisotopové zářiče, kolimace, stereotaktický rám. Univerzální a kybernetické ozařovače - kompaktní LINAC, irisové kolimátory, kybernetické rameno a lehátko, zobrazovací a stereotaktický zaměřovací rtg systém, respiratory gating-synchronizace; CyberKnife.
Hadronová radioterapie - Braggova křivka, urychlovače, terapie protony, rozvádění protonových svazků do ozařoven, protonové "trysky", gantry. Radioterapie těžšími ionty - ¹²C, p^--mezony, antiprotonová radioterapie, neutronová terapie.
Jaderné reakce a gama-monitorování hadronové radioterapie - in-beam PET monitoring, promptní gama-aktivační analýza distribuce dávky podél hadronového svazku. Proton-bórová záchytová terapie.
Brachyradioterapie - dočasná a permanentní brachyterapie, distribuce radiační dávky, radioisotopové zdroje (radiofory) pro brachyterapii, jejich aplikace, aftrerloading.
Radioisotopová terapie otevřenými zářiči b a a - vlastnosti používaných radionuklidů a terapeutických radiofarmak, efekt "křížové palby", vliv bystander-efektu a hyper-radiosenzitivity. Beta a alfa radionuklidy pro terapii, in-vivo radionuklidové generátory.
Dozimetrické monitorování radionuklidové terapie - stanovení radiačních dávek v orgánech, metoda MIRD, 3D dozimetrie.
Léčba štítné žlázy radijódem ¹³¹I - terapie ca štítné žlázy, nenádorových onemocnění, Marinelliho rovnice. Paliativní radionuklidová terapie metastáz, radioaktivní mikrosféry (SIRT terapie jaterních nádorů), hematologická terapie, radionuklidová synovektomie. Radioimunoterapie - značené monoklonální protilátky a mechanismy jejich účinku, "eskortní" aptamery.

4.2. Scintilační kamery
Princip činnosti Angerovy kamery
Kolimace záření g , tenký velkoplošný scintilační krystal, soustava fotonásobičů, komparátor a vznik souřadnicových impulsů X-Y, sumární zesilovač, analyzátor a vznik trigrovacích impulsů Z, zobrazení scintigrafického obrazu na osciloskopu.
Analogové obrazy - perzistentní osciloskop, fotografování analogových obrazů, expozice a kontrast, informační hustota a vliv statistických fluktuací.
Digitální obrazy - analogově-digitální konvertor (ADC), připojení kamery k počítači, digitální scintigrafické kamery.
Konstrukční uspořádání scintilační kamery - stínící obal kamery, upevnění kolimátorů, stojan a gantry kamery, mechanické pohyby.
Kolimátory – konstrukce (paralelní, divergentní, konvergentní, jednoděrové, speciální kolimátory “fan beam” pro SPECT), energetické vlastnosti, citlivost (účinnost), prostorové rozlišení, zásady pro optimální volbu kolimátorů.
Scintigrafie v nukleární medicíně - aplikace radioindikátoru, jeho distribuce v organismu, scintigrafické obrazy a jejich vizuální hodnocení, matematická analýza - kvantitativní parametry, celková interpretace a diagnostika.
Nepříznivé vlivy u scintigrafie a jejich korekce - rozlišení, kontrast obrazu - volumové a aktivitní zkreslení (partial volume effect) a jeho korekce, hloubkové prozařování, sumační efekt a interference struktur, absorbce (atenuace) záření g, statistické fluktuace a šum v obrazech, Comptonův rozptyl. Korekční metody, riziko korekčních artefaktů.
Kvalita scintigrafického obrazu a detekovatelnost lézí - kontrast předmětu a obrazu, degradace rozlišením, statistické fluktuace, poměr signál-šum, kritéria rozpoznatelnosti lézí. Vliv vzdálenosti, atenuace, sumace vrstev a rozptýleného záření. Možnosti zlepšení kvality obrazu a detekovatelnosti lézí. Kvantifikace pozitivních lézí na gamagrafických obrazech - standardized uptake value SUV (SUV_max, SUV₅₀, SUV₇₀).
Zobrazovací vlastnosti kamery - vnitřní rozlišení detektoru a celková rozlišovací schopnost kamery FWHM, FWTM. Mrtvá doba scintilační kamery. Homogenita zorného pole - příčiny nehomogenity, kontrola a korekce nehomogenity, kalibrace zobrazovacích vlastností kamery. Spektrometrické nastavení scintilační kamery a jejich vliv na kvalitu obrazu - potlačení Comptonovsky rozptýleného záření.
Technické poruchy scintilačních kamer - elektrické poruchy napájecích zdrojů, poruchy pohybů kamery, výpadek fotonásobičů, rozladění fotonásobičů, prasklý scintilační krystal.
Alternativní fyzikální principy scintilačních kamer - drátové kamery, multikrystalové a multipixelové polovodičové kamery, Comptonovy kamery, kamery a gama-teleskopy pro vysoké energie.

4.3. Tomografická scintigrafie
Základní principy tomografického zobrazení, historie technického vývoje tomografické scintigrafie - pohybová tomografie, koincidenční tomografie gama-gama úhlových korelací, SPECT s rotací pacienta.
Tomografická scintigrafie SPECT - princip činnosti jednofotonové emisní počítačové tomografie, střádání tomografických studií, rotační a stacionární SPECT.
Počítačová rekonstrukce tomografických obrazů - metoda zpětné projekce a iterativní rekonstrukce, výhody a úskalí. Sinogram, linogram - použití při rekonstrukci obrazů, odhalování a korekci pohybových artefaktů.
Vyžití SPECT v nukleární kardiologii, neurologii, nádorové diagnostice.
Nepříznivé vlivy u SPECT a jejich korekce - atenuace, nehomogenity - prstencové artefakty, rekonstrukční artefakty - star-efekt, osa rotace; korekční metody.
Pozitronová emisní tomografie PET - princip činosti pozitronové emisní tomografie: koincidenční detekce ® elektronická kolimace g-záření; koincidence pravé, rozptylové a náhodné. Použití scintilátorů BGO a LSO, 2D a 3D akvizice. Vnitřní radioaktivita LSO scintilátorů. Střádání a rekonstrukce tomografických obrazů, výhody a úskalí.
Doba letu anihilačních fotonů TOF - časová lokalizace místa anihilace, možnosti a perspektivy zlepšování časového rozlišení detektorů a elektroniky.
Nepříznivé vlivy u PET a jejich korekce - absorbce (atenuace) záření, rozptyl záření, dolet pozitronů, náhodné (falašné) koincidence.
Pozitronové radionuklidy vhodné pro PET, možnosti využití PET v nádorové diagnostice, nukleární kardiologii, CNS, v monitorování hadronové radioterapie.
Neutrony stimulovaná emisní počítačová tomografie NSECT - nepružné interakce neutronů, deexcitace jader, spektrometrická a gamagrafická detekce stimulovaného g-záření, rekonstrukce a vytvoření obrazu prostorové distribuce chemických prvků.

4.5. Fyzikální parametry scintigrafie - kvalita zobrazení a fantomová měření
Prostorové rozlišení gamakamery - geometrická rozlišovací schopnost kolikátoru, vnitřní rozlišení detektoru kamery, celkové (systémové) rozlišení, měření s bodovým a čárovým zdrojem. Stanovení měřítka zobrazení.
Homogenita (uniformita) zorného pole kamery - měření s bodovým zářičem a plošným zdrojem, stanovení nehomogenity zorného pole, kalibrace homogenity.
Linearita zobrazení kamery - měření s bar-fantomem a lineární kartézskou mřížkou, linearita různých druhů kolimátorů.
Citlivost (detekční účinnost) scintilační kamery - geometrická světelnost kolikátoru, vnitřní detekční účinnost, celková - systémová - účinnost. Vliv látkového prostředí. Zobrazovací vlastnosti speciálních kolimátorů - Konvergent, Pinhole.
Energetické rozlišení a mrtvá doba detektoru kamery - spektrometrické vlastnosti a energetické nastavení okénka analyzátoru, mrtvá doba kamery a efektivní mrtvá doba systému kamera+počítač, měření metodou dvouvzorkovou, vícevzorkovou a metodou kontinuální změny aktivity.
Fantomová měření - fantomy pro statickou scintigrafii (štítné žlázy, jater, ...), dynamické fantomy (např. srdeční), přínos fantomových měření.

4.7. Vizuální hodnocení a matematická analýza diagnostických obrazů
Získávání diagnostických informací z radiologických obrazů - vizuální hodnocení, matematická analýza a kvantifikace
Multifaktoriální statistická analýza obrazů - rozpoznávání struktur a znaků v obrazech, statistické porovnání se soubory vzorových obrazů
Matematická analýza a počítačové vyhodnocování v nukleární medicině
Výpočetní technika v nukleární medicíně
Základní principy činnosti počítače. Druhy a kategorie počítačů. Hardware a software. Periferní zařízení - magnetická pásková a disková paměť, displej, tiskárna, přenos dat mezi přístrojem a počítačem, sítě. Programové vybavení - operační systém, programovací jazyky. Základy práce s personálními počítači.
Počítačové zpracování nescintigrafických měření - počítačová registrace výsledků z jedno- a vícedetektorových měřičů vzorků. Základní principy vyhodnocování RIA. Stanovení glomerulární filtrace vzorkovou metodou. Stanovení poločasu přežívání erytrocytů a orgánové sekvestrace. ......
Počítačové vyhodnocování scintigrafických studií
Vlastnosti vyhodnocovacích zařízení pro scintigrafii. Střádání (akvizice) scintigrafických studií - digitalizace obrazu, matice pro střádání, měřítko zobrazení ("zoom"), předvolby času a impulsů, zadávání údajů o scintigrafických studiích. Střádání dynamických studií - předvolba snímkové frekvence, grupování snímků, spuštění a ukončení studie. Synchronizace scintigrafických studií se signály EKG (hradlování, gatování), vylučování anomálních srdečních cyklů. Střádání studií SPECT – volba obrazové matice, počet a úhly projekcí, rychlost rotace, rotace kruhová a eliptická, korekce na atenuaci, korekce na pohyb centra rotace, sinogram.
Zpracování scintigrafického obrazu - jasová a barevná modulace, zvětšování a zmenšování obrazů, vyhlazování obrazu (filtry, výhody a úskalí filtrace), skládání a aritmetické operace s obrazy, vyznačování zájmových oblastí (ROI) na obraze a stanovení poměrů lokálních aktivit, korekce na homogenitu zorného pole kamery.
Základní zpracování dynamických studií - zobrazení sekvencí snímků, skládání snímků, konstrukce křivek časového průběhu radioaktivity v ROI, korekce na mrtvou dobu systému kamera-počítač. Zobrazení a matematické zpracování křivek - vyhlazování, stanovení plochy pod křivkou, derivace a integrace, prokládání funkcí metodou nejmenších čtverců (lineární a exponenciální funkce - jejich význam), dekonvoluční analýza – tranzitní funkce a časy. Parametrické obrazy - princip konstrukce lokálně parametrických obrazů, použití pro funkční scintigrafické studie, Fourierovská fázová analýza (obrazy fáze a amplitudy, jejich hodnocení, lokální kvantifikace), kondenzované obrazy pohybu radioindikátoru v zorném poli kamery při dynamické scintigrafii polykacího aktu jícnem.
Vyhodnocování studií SPECT – rekonstrukce studie, vytvoření transverzálních řezů a trojrozměrného obrazu, voxely, filtrace, obrazy šikmých řezů.
Přenos a archivace digitálních dat po síti.
Filtry a filtrace
Podstata filtrace (účel, filtrace prostorová a časová, obrazů a křivek, vyhlazování, fokusace a rekonstrukce obrazů). Filtrace v prostorové oblasti – vyhlazování, konvoluce, váhová matice.
Filtrace ve frekvenční oblasti – Fourierovská transformace, frekvenční spektrum amplitud harmonických funkcí, násobení filtrem, zpětná Fourier. transformace; Nyquistova frekvence.
Filtrace u zpětné projekce SPECT – princip rekonstrukce a vznik hvězdicových (star) artefaktů, aplikace filtru RAMP a potlačení “star-efektu”, vyhlazující filtry “low pass”, filtry fokusační a kombinované, form-faktory filtrů a obecné zásady pro používání filtrů.
Vyhodnocování komplexními programy
Zásady tvorby a použití komplexních programů, ruční a automatické zpracování, prezentace obrazů, kvantitativních výsledků a jejich interpretace, vizuální hodnocení a vkládání slovních údajů.
Matematická analýza a komplexní vyhodnocování některých typických scintigrafických studií - ventrikulografie, radiokardiografie, scintigrafie myokardu, statické a dynamické scintigrafie ledvin, dynamické scintigrafie jater (cholescintigrafie), dynamické scintigrafie jícnu a žaludku .....
Možnosti dálkového vyhodnocování scintigrafických studií – telenukleární medicina.

4.8. Radionuklidy a radiofarmaka pro scintigrafii
Radionuklidy a radiofarmaka pro planární a SPECT scintigrafii - radiojód ¹³¹I, technecium ^99mTc, radifarmaka pro scintigrafii ledvin, cholescintigrafii, kardologické scintigrafické metody, scintigrafii mozku, skeletu, perfuze plic, radioaktivní aerosoly a plyny (^81mKr) pro ventilační scintigrafii plic.
Pozitronové radionuklidy a radiofarmaka pro PET - ¹⁸F (¹⁸FDG), ¹¹C, ¹³N, ⁶⁸Ga, ¹⁵O.
"Molekulární zobrazení", radiofarmaka pro nádorové zobrazení (¹⁸FDG,¹⁸FLT,¹⁸FET,...), imunoscintigrafie, značená cytostatika, apoptická radiofarmaka (^99mTc-annexin V, ¹⁸F-ML-10).
Příprava radiofarmak - radiofarmaka dodávaná výrobci, metody značení radiofarmak na pracovišti, radionuklidová a radiochemická čistota radiofarmak.

4.9. Klinická scintigrafická diagnostika v nukleární medicíně
4.9.0. Společné obecné principy klinické scintigrafie
"Molekulární" zobrazení, statická a dynamická scintigrafie, hybridní zobrazení - funkčně-anatomická korelace. Časová dynamika distribuce radioindikátoru, clearance, kompartmentová a dekonvoluční analýza. Příprava pacienta, časový průběh scintigrafického vyšetření.
Kombinace diagnostiky a terapie - teragnostika - teranostické radionuklidy, ................
4.9.1. Thyreologická radioisotopová diagnostika
Funkce štítné žlázy, metabolismus a vychytávání jódu, hormony štítné žlázy. Patologie štítné žlázy - hypo- a hyper-tyreóza, autonomní adenom, karcinom štítné žlázy (diferencovaný, medulární, anaplastický). Akumulace a clearance radiojódu ve štítné žláze.
Scintigrafie štítné žlázy s ¹³¹I, ¹²³I, ^99mTc. Scintigrafické monitorování terapie štítné žlázy, vyhledávání metastáz ca štítné žlázy. Scintigrafie příštítných tělísek - dvoufázová a subtrakční scintigrafie.
4.9.2. Nefrologická radionuklidová diagnostika
Stavba a funkce ledvin , glomerulární a tubulární funkce ledvin, onemocnění ledvin - ..
Dynamická scintigrafie ledvin - vizuální a kvantitativní hodnocení perfúze a clearanční funkce ledvin, jejich drenáže a odtoku moči z ledvin. Kvantifikace globální a separované funkce ledvin, glomerulální filtrace, průtoku plasmy ledvinami. Dekonvoluční analýza nefrografických křivek - tranzitní funkce a tranzitní časy průchodu ledvinami. Diuretický a captoprilový test.
Dynamická scintigrafie transplantované ledviny - Hilsonův a Washidův index perfúze, clearanční funkce, drenáž transplantátu, posouzení akutní tubulární nekrózy a rizika rejekce transplantátu.
Statická scintigrafie ledvin - separovaná funkce ledvin s korekcí na hloubkovou atenuaci
Radionuklidová uroflowmetrie a cystografie - dynamika mikce, veziko-ureterální reflux, nepřímá a přímá cystografie.
4.9.3. Diagnostika gastro-intertinálního traktu - jater a žlučových cest, pankreatu, jícnu a žaludku
Dynamická scintigrafie jater a žlučových cest (cholescintigrafie) - dynamická funkce jater a hepatobiliárního systému, tvorby žluče a jejího odtoku intrahepatálními cestami, evakuační schopnost žlučníku, duodeno-gastrický reflux.
Dynamická scintigrafie pankreatu - ⁷⁵Se-selenomethionin, odečtení obrazu jater, křivky časového průběhu akumulace v pankreatu, odezva dynamiky na aplikaci pankreatického stimulátoru cholecystokininu.
Statická scintigrafie jater. Planární a SPECT scintigrafie hemangiomů - autologní erytrocyty značené ^99mTc in vitro nebo in vivo.
Scintigrafie sleziny- aplikace značených autologních tepelně alterovaných erytrytů. Dynamická splenoportografie - intrasplenická aplikace ^99mTc, hodnocení průtoku v.lienalis, v.portae, játra, systémový oběh. Kvantifikace dynamiky průtoku, posouzení portosystémových zkratů.
Dynamická scintigrafie jícnu a žaludku - polykací akt, hodnocení průchodu radioindikátoru jícnem, vyhodnocení křivek dynamiky průchodu horní, střední a dolní částí jícnu, transportní funkce a kondenzovaný obraz, posouzení gastroesofageálního refluxu. Hodnocení evakuace žaludku a tenkého střeva.
4.9.4. Nukleární kardiologie
Srdce - stavba, funkce, centrální hemodynamika, ........
Radionuklidová hradlovaná ventrikulografie
Scintigrafie perfuze myokardu
Dynamická radiokardiografie
4.9.5 Scintigrafie plic (nukleární pneumologie)
Stavba a funkce plic.
Scintigrafie plicní perfúze - ^99mTc značené makroagregáty albuminu, hodnocení homogenity zobrazení v plicních křídlech, segnentární defekty hypoperfuze, posouzení embolizace.
Scintigrafie plicní ventilace - vdechování radioaktivního aerosolu nebo radioaktivního inertního plynu (krypton ^81mKr), ⁸¹Rb/^81mKr generátor. Regionální defekty ventilace, pneumokonióza. Kombinovaná perfuzní+ventilační scintigrafie plic.
4.9.6. Onkologická radionuklidová diagnostika
4.9.7. Scintigrafie skeletu
Stavba kostí, metabolické procesy ve skeletu. Celotělové a lokální zobrazení skeletu s ^99mTc-fosfonáty a s ¹⁸Fluoridem, vyhledávání metastáz, kombinace SPECT/CT, PET/CT u skeletu. Dynamická (3-fázová) scintigrafie skeletu.
4.9.8. Scintigrafická diagnostika v neurologii - CNS
Centrální nervový systém. Stavba mozku -
Statická scintigrafie mozku - narušení hemato-encefalické bariéry.
Perfúzní scintigrafie mozku - dynamická scintigrafie (mozková angiografie-cirkulografie), SPECT scintigrafie perfúze mozku
Scintigrafie receptorových systémů v mozku - dopaminergní systém mozku, zobrazení presynaptické a postsynaptické
Scintigrafie likvorových cest, cisternografie
4.9.9 Vyšetření žilního a lymfatického systému - radionuklidová flebografie a lymfoscintigrafie
St............... .......................
Sentinelové uzliny - scintigrafie, radiačně navigovaná chirurgie
4.9.10. Méně významné a řidčeji používané radionuklidové vyšetřovací metody
Důvody nízkého používání a opouštění některých radionuklidových metod. Nukleární hematologie - objem cirkulující krve, přežívání a sekvestrace erytrocytů. Vyšetření resorpce látek v organismu - Schillingův test, resorpce železa. Krvácení do GIT. Scintigrafie scrota. Scintigrafie slinných žláz. ........
..........

5.2. Biologické účinky ionizujícího záření
Buňky - základní jednotky živých organismů - buněčná membrána, cytoplasma, cytoskelet, jádro, DNA; prokariotní a eukaryotní buňky, mitochondrie, lysosomy, ribosomy.
DNA, RNA, proteiny, chromosomy, telomery - struktura DNA, telomery a jejich mitotické zkracování, senescence buněk, Hayflickův limit počtu buněčného dělení, telomeráza, tankyráza a immortilizace buněk. Buněčné organely - mitochondrie, lysosony, ribosomy.
Mechanismy účinků záření na živou tkáň - ionizace atomů, volné radikály, chemické a biochemické účinky na molekulární úrovni, účinky na subcelulární a buněčné úrovni, radiobiologie a radiační ochrana.
Základní stádia účinku záření na živou tkáň - stadium fyzikální, chemické a biologické, zásahová a radikálová teorie, teorie duální radiační akce.
Účinek záření na buňky - poškození DNA a chromozomů - jednoduché a dvojité zlomy DNA, fragmenty DNA, mikrojádra. Genotoxicita, vznik a reprodukce mutací, radiační účinky během buněčného cyklu, buňky kmenové a efektorové.
Mechanismy buněčné smrti - apoptóza (vnitřní a vnější signální dráhy, kaspázový řetězec), autofagie, senescence, entóza, nekróza buněk, mitotická katastrofa. Volné radikály, antioxidanty, "kyslíkový efekt".
Reparační procesy - nitrocelulární reparace (excizní reparace jednoduchých zlomů DNA, homologní rekombinace a nehomologní end-joig dvojných zlomů, chybné mutagenní reparace), regenerace v buněčných populacích.
Účinky záření na tkáňové úrovni - biochemické interakce buněk, bystander efekt, abskopální efekt dálkové mimocílové indukce radiačních účinků v tkáni. Různá radiosezitivita tkání v závislosti na reprodukční aktivitě a stupni deferenciace.
Vztah mezi biologickým účinkem a dávkou záření:
Účinky stochastické - genetické změny, zhoubné nádory. Lineárně-kvadratická a lineární bezprahová závislost stochastických účinků na dávce, závislost stochastických účinků na věku.
Účinky deterministické (nestochastické) - usmrcení buněk, akutní nemoc z ozáření, lokální poškození, prahová závislost na dávce.
Patologicky zvýšená radiosenzitivita - genetická porucha chromosomální instability.
Lineárně-kvadratický (LQ) model deterministického radiačního účinku - a a b procesy, časový vliv reparace a repopulace buněk (Lea-Cathesidův dávkově-časový integrál), efekt dávkového příkonu, biologický ekvivalent dávky BED.
Odchylky od LQ modelu - bystander efekt, hyperradiosenzitivita v oblasti nízkých dávek - IndRep model indukované reparace, multi-terčíkový MT model, LPL a RMR model, model lokálního účinku LEM, dvoustupňový pravděpodobnostní model. Vysokodávkové modifikace LQ modelu - lineárně-kvadraticko-lineární LQL model, zobecněný gLQ model, USC (univerzální křivka přežití), KN (Kavahagh-Newman) model, PLQ (Pade Linear Quadratic) model.
Problematika velmi nízkých dávek - jsou škodlivé či prospěšné?; radiační hormeze a adaptivní odezva
Časový průběh a druhy biologických účinků záření - poškození kmenových buněk, časné radiační účinky - akutní nemoc z ozáření a radiační dermatitida, radiační záněty, poškození embrya a plodu; pozdní radiační účinky - deterministické (nenádorové), stochastické (zhoubné nádory, genetické změny).
Lokální radiační účinky tkáňové a orgánové - radiosenzitivita tkání a orgánů, funkční podjednotky, orgány sériové a paralelní.
Zdroje ozáření ionizujícím zářením:
Přírodní zdroje - radon, draslík 40, terestrální záření, kosmické záření, atmosférické výboje.
Umělé zdroje - lékařské aplikace diagnostické a terapeutické, jaderná technika, profesionální ozáření.

Předmluva
Toto obsáhlejší pojednání vzniklo jako elektronická forma přednášek z jaderné a radiační fyziky, radioaktivity, vlastností elementárních částic a jejich urychlování, metod detekce a spektrometrie ionizujícího záření, aplikací záření v rtg diagnostice, radioterapii, radioisotopové scintigrafii v nukleární medicíně, biologických účinků záření a fyzikálních aspektů radiační ochrany, konaných v rámci seminářů, kursů a přednášek na Klinice nukleární medicíny v Ostravě.
V tomto pojednání jsem se pokusil shrnout poznatky a zkušenosti, získané během svého více než 30-letého působení v oblasti jaderné a radiační fyziky. Vedle teoretického studia a vlastních úvah to byly praktické aplikace detekce a spektrometrie ionizujícího záření v oblasti nukleární medicíny (především scintigrafie) a též pedagogická činnost - přednášky z jaderné a radiační fyziky pro studenty (především z Přírodovědecké fakulty Ostravské university, obor fyzika a obory radiologické) a pro radiační pracovníky v rámci postgraduálních seminářů a kursů.
Jaderné a radiační procesy se snažím pojímat nikoli izolovaně, ale v kontextu celé přírodovědy. Časté jsou např. astrofyzikální odkazy na jaderné reakce a interakce částic při bouřlivých procesech ve vzdáleném vesmíru, včetně samotného vzniku vesmíru, jejich úloha v evoluci vesmíru, či vliv na život...
   Některé pasáže jsou vytištěny petitem - obsahují buď detailnější fyzikální analýzu jevů, nebo popis technických podrobností měřící přístrojové techniky, popř. exkurze do jiných oblastí vědy a techniky či filosofie pro navození obecnějších souvislostí. Rád bych poprosil čtenáře, aby v rámci svých časových možností a dle svého zájmu, aspoň zběžně přečetli i tyto pasáže, neboť mohou přispět ke komplexnějšímu pohledu na danou problematiku.
   Řada podrobností přijde ještě doplnit. Týká se to i literárních odkazů. Jednotlivá pojednání jsem psal v podstatě "zpaměti" tak, jak je přednáším a na základě dlouholetých zkušeností v oboru, bez literární rešerše. Další podrobnosti budou postupně doplňovány.
   Celkově jsem se snažil podat komplexní, avšak přístupný a polopopulární výklad fyzikálních jevů v oblasti atomů, atomových jader, částic a záření, včetně aplikací a technických principů přístrojové techniky, s minimálním množstvím matematických vzorců, tak aby byl srozumitelný i pracovníkům nefyzikálních profesí - lékařům, technikům, laborantům, jakož i studentům a dalším zájemcům. Hlavní důraz je kladen na fyzikální obsah a pochopení podstaty a mechanismů studovaných jevů. Nakolik se mi to podařilo, nechť posoudí čtenáři, vítám připomínky a návrhy.
   Jako autor věřím, že vedle "praktických" informací a faktických poznatků budou čtenáři sdílet i radost z poznání skrytých mechanismů v nejhlubším nitru hmoty a obdiv k důmyslným technickým řešením experimentálních a měřících jaderných zařízení.
Vojtěch Ullmann

Zpět: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Jaderná a radiační fyzika	Detekce a spektrometrie záření	Aplikace záření
S c i n t i g r a f i e	Počítačové vyhodnocování scintigrafie	Radiační ochrana
Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu \| Antropický princip aneb kosmický Bůh
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie


Sylabus: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření		1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda

Jaderná a radiační fyzika ve vědě, technologiích a medicíně