röntgenstrahlung zur durchleuchtung und zur strukturanalyse
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Röntgenstrahlung zur Durchleuchtung
und zur Strukturanalyse
• Das Absorptionsgesetz• Strahlung zur Durchleuchtung
– Medizin– Materialprüfung
• Strahlung für die Strukturanalyse– Beugung der Röntgenstrahlen
Inhalt
Absorption von Röntgenstrahlen
Joule/
(sm2)Intensität
1/mSchwächungs-koeffizient
1 m2
1 barn
Streu-querschnitt pro Teilchen
x 1 m Eindringtiefe
1/m3Anzahldichte der Teilchen
xeII 0
n
n
PaarComptonPhotoKo
Anteile zum Streuquerschnitt von Röntgenstrahlen
1/m2 Kohärente Streuung
1/m2 Photoeffekt
1/m2 Compton Effekt
1/m2 Paarbildung
)/( 25,2 WAZKoh
)/( 34 WAZPhoto
)/( 2/1WAZCompton
))log(/(2 WAZPaar
Z 1 Kernladungszahl
1 Joule Energie des Photons
A 1 m2 Bestrahlte Fläche
hW
106
103
1
0,1 1 10 100 1000 1.000.000
Absorption von Röntgenstrahlen
Photoeffekt
Kohärente Streuung
Compton-Effekt
Paarbildung
Absorptionskante: Anregung des Kohlenstoffs
auf der K-Schale
Aufbau einer Röntgenröhre für medizinische Durchleuchtung: 2,5 mm starkes Al-Fenster
50 kV
60 V
B
B
Bremsstrahlung Charakteristische Strahlung
Fenster: 2,5 mm Al
Absorption von 2,5 (3,0) mm Aluminium in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung
5 10 15 20 250,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
3 mm Al 2,5 mm Al
Abs
orpt
ion:
I/I
0
Energie der Strahlung [keV]
106
103
1
0,1 1 10 100 1000 1.000.000
Photoeffekt
Kohärente Streuung
Compton-Effekt
Paarbildung
Röntgen mit 35 kV
Filter: 2,5 mm Al
Spektrum der Röntgenstrahlen nach einem 2,5 mm Al Fenster bei Anregung mit 35 kV
106
103
1
0,1 1 10 100 1000 1.000.000
Spektrum der Röntgenstrahlen nach einem 2,5 mm Al Fenster bei Anregung mit 100 kV
Photoeffekt
Kohärente Streuung
Compton-Effekt
Paarbildung
Röntgen mit 100 kV
Filter: 2,5 mm Al
Röntgenstrahlung zur Durchleuchtung in der Medizin
Drehanode, Wolfram Anode – 40-120 kV, 8 ms, 10 mA, (dünne Patienten) – Das Maximum der Bremsstrahlung liegt bei etwa
50% der Anregungsspannung Das Material im Röhrenfenster, 2,5 mm
Aluminium, absorbiert die langwelligen Anteile („härtet die Strahlung“)– Im zu durchleuchtenden Material würden die
„weichen“ Anteile durch den Photoeffekt (~1/ E3) stark absorbiert, sie würden deshalb ohnehin nicht zur Durchleuchtung beitragen
– Photoeffekt ionisiert, schadet biologischem Material
Spezielle Anwendung
• Mammographie: 25-35 kV, Molybdän (Z=42) oder Rhodium (Z=45) Anode, – Al- und Kantenfilter entfernt langwellige Anteile– aber: nur Tumore mit Mikrokalken werden
erkannt, erscheinen nur in langsam wachsenden Tumoren
• Ziel: Mit weicher Strahlung Unterschiede in der Art des Gewebes lokalisieren
Vergleich mit anderen Verfahren
• Materialunterschiede mit Photoeffekt sichtbar, wegen Z4
• Mittlere Kernladungszahl im Organismus Z=7• Strahlenbelastung 1-10 Mikrogray für eine
Aufnahme ( 1000 Mikrogray = 1 Milligray pro Jahr entspricht der natürlichen Strahlenbelastung)
Menschen äquivalente Röntgen-Absorber
• 25 mm Al entsprechen einem dünnen Patienten (17, 22, 26 cm Bauchdurchmesser für Patientendicken-Klassen)
Weitere abbildende Verfahren in der Medizin
• NMR für Funktionsanalysen, Tumorsuche bei Mammographie
• PET 511 keV (Positronen Vernichtung bei Rekombination)– Auflösung im cm Bereich, Computer Tomographie
mm
Aufbau einer Röntgenröhre zur Feinstrukturuntersuchung
50 kV
60 V
B
B
Bremsstrahlung Charakteristische Strahlung
Fenster: 0,4 mm Be
Transmission von 0,4 mm Beryllium in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
I/I0D
urc
hlä
ssig
keit
I/I0
Energie der Strahlung [keV]
Cu-Anode mit Brennfleck 0,5 * 8 mm
Cu-Anode mit Beryllium Fenster
106
103
1
0,1 1 10 100 1000 1.000.000
Absorption von Röntgenstrahlen nach einem Beryllium Fenster
Photoeffekt
Kohärente Streuung
Compton-Effekt
Paarbildung
Röntgen mit 45 kV
Erwünscht
Gefürchtet!
Röntgenstrahlung zur Beugung in der Feinstrukturuntersuchung
Feststehende Röhren oder Drehanoden aus
• Kupfer (E=8keV, λKα = 0,154 nm) oder
• Molybdän (E=16 keV, (E=8keV, λKα = 0,07 nm)
• Das Material im Röhrenfenster, 0,4 mm Berylliumium, absorbiert praktisch nicht, denn die „weiche“ Strahlung ist erwünscht: – Weiche Strahlung zeigt einen hohen Streuquerschnitt
für kohärente Streuung– Allerdings: die „weichen“ Anteile ionisieren durch den
Photoeffekt (~1/ E3), schädigen organisches Material– Diese Strahlung ist deshalb zur medizinischen
Durchleuchtung völlig ungeeignet
• Medizinisches Röntgen nur mit 2,5 mm Al Filter, absorbiert die langwellige Strahlung E<20keV, Strahlung mit Energie unter 20 keV wird in organischem
Material -praktisch ausschließlich durch Photoeffekt- – stark absorbiert– ionisiert die Atome und kann Bindungen ändern
(Auslöser für Mutationen) – trägt – wegen der hohen Absorption – nicht zur
Durchleuchtung bei• Röntgen zur Feinstrukturuntersuchung praktisch
ohne Filter (0,4 mm Be-Fenster)– Langwellige Anteile sind erwünscht, wegen starker
Anregung kohärenter Streuung– Aber: Wegen der ionisierender Wirkung und hohen
Absorption ist diese Strahlung zur medizinischen Durchleuchtung völlig ungeeignet
Zusammenfassung
Äußerste Vorsicht beim Umgang mit Feinstrukturröhren! Schwere Strahlenschäden drohen!
finis
5 10 15 20 250,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
3 mm Al 2,5 mm Al
Abs
orpt
ion:
I/I
0
Energie der Strahlung [keV]
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