2014.10.13.

1

Röntgensugárzás, röntgendiffrakció

Biofizika szeminárium

TörténetIvan Puljuj (1845-1918):

Nagyfeszültségű kisülési cső (Crookes cső) sugárzásába helyezett becsomagolt fotolemezek megfeketednek, 1886

Nicola Tesla (SRB-USA, 1856-1943):Fékezési sugárzással működő röntgencső kifejlesztése, 1887-„láthatatlan” sugárzó energia

Röntgensugárzás biológiai veszélyeinek felismerése

Lénárd Fülöp (AUT-HUN-GER, 1862-1947, Nobel-díj, 1905)Alumínium-ablakos kisülési cső, röntgensugárzás elkülönítése,áthatolóképesség vizsgálata, 1888

Thomas Edison (1847-1931, USA)CaWO4 fluoreszkál legintenzívebben az X-sugarak hatásáraElső működő fluoroszkóp (röntgen-készülék) feltalálása, 1896

Sugárvédelem hiánya – égési sérülésekClarence Madison Dally (Edison aszisztense): a röntgensugárzás első áldozata

Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923, GER, Nobel-prize, 1901)

Vastag üvegfalú kisülési cső (Crookes cső), Fekete kartonpapírral borította a csövet – fényt elzárjaBa-platinocianiddal bevont képernyő – halvány derengés az elsötétített szobábanLáthatatlan, ismeretlen új sugárzás: „X-sugarak”1895. november 22. – az első felvétel emberi testről1895. december 28. – publikálja az eredményeit

W. C. Röntgen

► Wavelength: 0.01 - 10 nm (10-11 – 10-8 m)

► Energy: 0.1 – 100 keV ( ~10-17 – 10-14 J)

Frequency and

RTG tulajdonságai

► Rövid hullámhosszú (~ the same size as the diameter of an atom).

► Ionizációt okoz (adding or removing electrons in atoms and molecules).

► Alkalmas anyagokból lumineszcenciát (fénykibocsátás) vált ki

► Csont; fémek abszorbeálják

► Az egészséges szöveteken áthalad.

► Nagyon hasznos a diagnosztikában és a terápiában.

Röntgensugárzás előállítása

X-ray generator - the rotating anode tube

1) alacsony nyomású gáztöltésű röntgencső (üvegcső, 10-6 bar =

0,13 Pa)

2) az anód és a katód közti nagy feszültség hatására a katódból

elektronok lépnek ki

3) amelyek a feszültéség hatására felgyorsulva az antikatódba (anód)

csapódnak be.

5) röntgensugárzást indukálnak

2014.10.13.

2

Lágy röntgen Kemény röntgen

Low energy (120 eV-12 keV)Low penetration (in water ~ 1 µmDiagnostic

High energy (120 keV-10 MeV)high penetrationTherapy and x ray crystallography

Röntgensugárzás keletkezése

Két eltérő mechanizmus → összetett spektrum

Röntgensugárzás keletkezik:

I) Belső héjról egy e- eltávolítása

KARAKTERISZTIKUS RÖNTGENSUGÁRZÁSVonalas spektrum

II) Lefékeződik az elektron

FÉKEZÉSI RÖNTGENSUGÁRZÁS (BREMSSTRAHLUNG) Folytonos spektrum

Karakterisztikus röntgensugárzás

electron

electrons

Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért

Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám

Egy beérkező nagy energiájú elektron az anódban lévőK héjról kiüt egy elektront → üresedésKülső elektron ugrik a helyébeKarakterisztikus rtg sugárzás keletkezik (E=héjakközötti energia különbség)

Vonalas spektrum (az anód anyagára jellemző)

Fékezési röntgensugárzás(BREMSSTRAHLUNG)

Braking radiation or "deceleration radiation“(„Bremsstrahlung”)

Rtg csőben a felgyorsított elektron lelassul az anódban lévő atomok magjainak elektromos erőterében.

Az energiaveszteség rtg fotonok kibocsátásárafordítódik.Széles, folyamatos spektrumú sugárzás keletkezik

Folytonos spektrum

A röntgensugárzás Spektruma

Breaking: continuous emissionradiation

Characteristic: line type emissionradiation

Duane-Hunt szabály(fékezési rtg-sugárzásnál)

Emax= e ∙ Vanode =h ∙ fmax= (h ∙ c) / λmin

λmin = (h ∙ c) / (e ∙ Vanode )

William Duane (1872-1935, USA)

e- max. energialeadás = azzal a mozgási energiával, amit a gyorsítófeszültség révén szerzett.A folyamathoz mindig tartozik egy maximális fotonenergia vagy minimális hullámhossz.

h = Planck állandó – 6.626 ∙ 10 -34 Jsc = fénysebesség vákuumban– 3 ∙ 10 8 m/se = elemi töltés– 1.602 ∙ 10 -19 C

2014.10.13.

3

Henry Moseley (1887 – 1915)

A röntgensugárzás fő karakterisztikus csúcsainak frekvenciája arányos az elem rendszámával.

Az első megfigyelés az atomszám és egy mérhető fizikai mennyiség között.

Fontos kísérletes támogatást is nyújtott a Bohr-atommodell számára.

A = 2,19∙10-18 J σ= K-shell: 1 L-shell: ~8n= fő kvantum szám

Ez alapján egy ismert röntgensugárzási frekvencia mérésével meg lehetett állapítani az atom rendszámát, ésmegállapítani az atom helyét a periódusos rendszerben, hiszen ekkor (1913) az atommagról még nem álltakrendelkezésre ismeretek.

Rtg sugárzás elleni védelem:Pb(82) - ólom

Miért jó?• Összetett, és nagy sűrűségű anyag

→ A beeső fotonok nagy valószínűséggel találkoznak elektronnal.• olcsó (arany, ezüst)• Kevésbé toxikus mint a tallium vagy a bizmut• Nagymennyiségben áll rendelkezésre

Rtg sugárzás fontoskölcsönhatásai

Fény-elektromos hatás

• Felelős a kontraszt kialakulásáért a képen

Compton szóródás

• Nincs hasznos információ belőle: a kontrasztot csökkenti.

Fényelektromos hatás

Belső héjat érintő ionizáció

• A foton energiája teljesen elnyelődik

• Foto-elektron hagyja el az atomot (E = Ebeeső foton – E e- kötési energiája).

• Üresedés a belső elektron-héjon.

• Felsőbb héjról elektron tölti be az üres pozíciót.

• Nagyobb valószínűséggel fordul elő magas atomszámú elemek esetében (pl. csont,

kontraszt anyag).

• Növeli a beteget ért dózist.

• Nagymértékben felelős a rtg képen kialakuló kontraszt mértékéért.

Compton szórás

• A rtg foton egy atom külső héjáról elektront lök ki.

• A rtg foton irányt változtat miközben energiája csökkent

(frekvencia csökken, hullámhossz nő).

• Compton e- szabadul ki az atomból.

• A Compton effektus bármely szövetben előfordulhat.

• A szórt foton nem hordoz hasznos információt.

• Csökkenti a rtg képen a kontraszt mértékét.

COMPTON SZÓRÁS

impulzus- és energia megmaradás

2014.10.13.

4

Hogyan lehet a rtg sugársugárnyalábot irányítani: kontrollálás

A rtg sugárzás nem fókuszált, így az általa alkotott kép egy árnyékkép.Ha csak egy pontját használják a fényforrásnak élesebb kép

kapható.Ha a teljes fényforrást alkalmazzuk az árnyék homályos lesz.

Mi éles képet akarunk. Hogyan?

Számos módja van, hogy éles legyen a kép (a fényforrás pontszerűvé tétele):

Az anód 17 fokos szögben áll és így keskenyebbé tehető a sugár.

Rés behelyezése vagy egy ólomból készült kúp segítségével.

A testről szóródó sugarakat egy ólomból készült rács elnyeli.

Röntgen képalkotás

o A terjedési irányban egymás mögött elhelyezkedő elemek abszorpciójának összeadódása révén

o 2D szummációs leképezéso Nem tartalmaz mélységi információto A nagyobb kontrasztú elem kitakar ja a kisebbeto A szóródó röntgensugárzás is exponálja a képet (szürke háttér)

o A vizsgált testrészt a sugárforrás és a detektor közé helyezik

o Az egyes szövetek/anatómiai struktúrák abszorpciója eltér-

o Ahol jobban áthatol, ott a fotolemez is jobban megfeketedik

o Csontokban nagyobb rendszámú elemek:

Mg Z=12, P Z=15, K Z=19, Ca Z=20

o Lágy szövetekben túlnyomórészt:

H Z=1, C Z=6, O Z=7, N Z=8

o A csont jobban elnyeli a sugárzást, mint pl. az izom (nagyobb elektronsűrűség), ezáltal

a fotolemezt kisebb mértékben feketíti meg.

Röntgen diffrakció

interferencia

Különböző forrású koherens hullámok összeadódása, miközben új hullámmintázat keletkezik.

Konstruktív Destruktív

Azonos frekvencia, egyező fázis ellentétes fázis

diffrakció(elhajlás)

A fény haladási irányának megváltozása egy megfelelő méretű akadályon.

Huygens-elv: A hullámfront pontjai elemi hullámok (kör- illetve gömb-)kiindulópontjainak tekinthetők. A tovahaladó új hullámfront ezen elemi hullámok közösérintője, burkoló görbéje.

2014.10.13.

5

Az első lépés a rtg diffrakció leírásában

Röntgen sugárzás – elektromágneses hullámvagy részecske?• Ha hullám → diffrakció!• Optikai ráccsal nem sikerült.• A röntgen hullámhossza kisebb mint az alkalmazott rácsállandó!?• Kristályrács alkalmazásának ötlete.

Max von Laue:Nobel-díjas (1914) német fizikus Kristályrács alkalmazásának ötlete.

Crystal as 3D diffraction (optical) grating!

Diffrakció kristályon

Kristály: atomok, ionok, vagy molekulák szabályosan ismétlődő elrendeződése az anyag szerkezetében.

Elemi cella: ismétlődő, legkisebb

geometriai mintázat

: atom, ion, molekula

Bragg egyenlet

William Henry Bragg és fia William Lawrence Bragg

kidolgozza a kristályszerkezet rtg-sugárzással való vizsgálatának alapjait.

Exploring the structure of the crystal-lattice → Nobel Laureates in Physics 1915

Konstruktív interferencia létrejöttének feltételei a kristályról szóródó rtg-sugárzás esetén.Milyen szögű röntgensugarat térít el legjobban a kristály, ha a röntgensugár hullámhosszát és a kristályatomok távolságátismerjük?

2d sinΘ = nλ

d: a rács síkjai közötti távolságΘ : a beeső sugárzás és a szóró felület közötti szögn: egész számλ : hullámhossz

Úthossz különbségA konstruktív interferencia (erősítés) feltétele:

2d sinΘ = nλ

A röntgen sugár elhajlási szögéből (θ) kiszámolható akristály síkjai közti távolság (d)!

Laue egyenletek

Az interferenciakép értelmezéséhez felhasználjuk, hogy a két szomszédosrácspontról kiinduló elhajlott röntgensugár akkor ad konstruktív interferenciamaximumot (sötét pont a fényképlemezen), ha azonos fázisban érkeznekmeg, vagyis a teljes úthossz különbségük a sugárzás hullámhosszának egészszámú többszöröse.Atomok közötti

távolság

Incident X-ray

Diffracted X-ray

Úthossz különbség: Δs=AB-CDAB=a ·cos αn

CD=a ·cos α0

Laue, 1912: a röntgen sugárzás hullámhossza összemérhető azatomok közti távolsággal a kristályon belül.

Három dimenzióra

2014.10.13.

6

fehérjék vizsgálata röntgendiffrakcióval

1958: első fehérje (bálna mioglobin) atomi struktúrájának meghatározása 1962: kémiai Nobel díj

DNs röntgendiffrakciós mintázata

1953 - James D. Watson and Francis Crick