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]