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Absorption von Röntgenstrahlung -Halbwertsdicken-.

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Präsentation zum Thema: "Absorption von Röntgenstrahlung -Halbwertsdicken-."—  Präsentation transkript:

1 Absorption von Röntgenstrahlung -Halbwertsdicken-

2 Das Absorptionsgesetz Absorption –Monochromatischer Strahlung –Weißer Strahlung Beispiel: 2,5 mm dickes Aluminium als Filter an Röntgenröhren Inhalt

3 Absorption von Röntgenstrahlen (Streuquerschnitt in cm 2 /g) 1 Joule/(s·m 2 ) Intensität nach Weg x in Materie x 1 cm Eindringtiefe ρ 1 g/cm 3 Dichte μ = σ ·ρ 1/cm Schwächungskoeffizient σ = σ Koh + σ Photo +σ Comton +σ Paar 1 cm 2 /g Streuquerschnitt pro Masseneinheit Der Streuquerschnitt jedesTeilchens enthält vier Anteile: σ Koh Anregung kohärenter Streuung σ Photo Photoeffekt σ Comton Compton-Effekt σ Paar Paarbildung Diese Effekte führen zur Schwächung (Absorption) der Strahlung auf ihrem Weg durch Materie

4 Anteile zum Streuquerschnitt von Röntgenstrahlen σ Koh Z 2,5 / ( A·W 2 ) 1barn Kohärente Streuung σ Photo Z 4 / ( A·W 3 )Photoeffekt σ Compton Z / ( A·W 1/2 )Compton Effekt σ Paar Z / ( A· log (W) )Paarbildung Z1Kernladungszahl W = h·f1 Joule Energie des Photons A1 m 2 Bestrahlte Fläche Die unterschiedlichen Anteile sind nichtlineare Funktionen sowohl der Kernladung als auch der Energie der Strahlung – deshalb sind einfache Abschätzungen nicht möglich. Zur Berechnung des Schwächungskoeffizienten für Strahlung mit Energie 1kEV

5 , Photoeffekt Kohärente Streuung Compton-Effekt Paarbildung Röntgen mit 50 kV Absorptionskante: Anregung des Kohlenstoffs auf der K-Schale Der Photoeffekt hängt vom Material ab – für medizinisches Röntgen ist Kohlenstoff das wichtigste Element Streuquerschnitt von Kohlenstoff, speziell: Röntgen mit 50 kV Spannung Ab- sorp- tion in ~1 cm Luft

6 Absorption eines monochromatischen Strahls 1 Joule/(sm 2 )Intensität x cm Materialstärke Einfallender Strahl Intensität I 0 Ausfallender Strahl Intensität I Der Absorptionskoeffizient variiert mit der Energie (~1/Wellenlänge) der Strahlung

7 Absorption eines weißen Strahls x cm Materialstärke Einfallender weisser Strahl, Intensität I 0 Ausfallender gehärterer Strahl, Intensität I In einem weissen Strahl verändert der Absorber die Zusammensetzung des Spektrums, weil der Absorptionskoeffizient μ von der Wellenlänge abhängt Im weißen Strahl mit Energie 1 < W < 120 keV werden nieder energetische, langwellige Anteile stärker absorbiert, deshalb enthält die Strahlung nach dem Filter mehr Anteile hoher Energie (mit kürzerer Wellenlänge), die Strahlung wird härter

8 Transmission von 2,5 (3,0) mm Aluminium in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung 3 mm Al2,5 mm Al Ursprünglich weiße Strahlung mit Energie zwischen 1 und 120 keV enthält hinter dem Al Fenster praktisch nur noch Anteile mit Energie zwischen 25 und 120 keV

9 Anwendung: Röntgenröhre mit Al Filter Langwellige Anteile der Strahlung werden schon im 2,5 mm Al Filter absorbiert und nicht erst im durchleuchteten Objekt 120 kV 20 mA 2,5 mm Al Filter Heizstrom 4 A

10 , Streuung an Kohlenstoff nach Absorption durch ein 2,5 mm Al-Fenster Photoeffekt Kohärente Streuung Compton-Effekt Paarbildung 2,5mm Al- Filter Röntgen mit 65 kV In Röhren zur Durchleuchtung filtert ein Fenster aus 2,5mm Al die weichen Anteile aus dem Strahl, die einerseits über den Photoeffekt ionisieren, andererseits nicht zur Durchleuchtung beitragen, weil sie schon in dünnen Schichten absorbiert werden

11 Mittlere Eindringtiefe 1 Joule/(sm 2 )Intensität 1 Joule/(sm 2 ) Halbe Intensität nach der Halbwertsdicke x H 1Dividiert durch I 0 cmHalbwertsdicke x H μ 1/cmSchwächungskoeffizient

12 Das Periodensystem der Elemente Link zum Periodensystem:

13 Die Luftschicht um unserer Erde absorbiert die kosmische Röntgenstrahlung und schützt auf diese Weise die Erdoberfläche vor ionisierender Strahlung Ein- dring- tiefe in Luft <1 m Betrieb mit 120 kV Mittlere Eindringtiefen als Funktion der Energie für Luft, Wasser, Aluminium, und Blei

14 Luft: Mittlere Eindringtiefe als Funktion der Energie Die Luftschicht um unserer Erde absorbiert die kosmische Röntgenstrahlung und schützt auf diese Weise das Leben an der Erdoberfläche vor ionisierender Strahlung Eindringtiefe in Luft <1 m Betrieb mit 120 kV 20 m

15 Wasser: Mittlere Eindringtiefe als Funktion der Energie Die mittlere Absorption unseres Körpers entspricht in etwa der des Wassers Betrieb mit 120 kV 6 cm

16 Aluminium: Mittlere Eindringtiefe als Funktion der Energie Ein 2,5 cm starker Aluminium Absorber (nicht zu verwechseln mit dem 2,5 mm starken Fenster) dient der Kalibrierung medizinischer Röntgengeräte Betrieb mit 120 kV 2,5 cm

17 Blei: Mittlere Eindringtiefe als Funktion der Energie Blei mit 3 mm Stärke schirmt Röntgenstrahlung bis zur Energie 150 keV ab Betrieb mit 120 kV 1/10 mm

18 Das Absorptionsgesetz: Die Intensität I 0 wird nach einem Weg der Länge d [1/cm] durch Materie mit Absorptionskoeffizienten μ [1/cm] zur Intensität I abgeschwächt –I = I 0 ·exp(-μd) Der Absorptionskoeffizient μ steigt mit der –Elektronenzahl und Dichte des Absorbers –Bei Energie der Strahlung zwischen 1 und 120 keV mit der Wellenlänge der einfallenden Strahlung Blei absorbiert sehr gut: – 3 mm Pb absorbiert Strahlung bis zu 120 keV praktisch vollständig Aluminium –2,5 mm dickes Aluminium absorbiert weiche Strahlung unter 20keV praktisch vollständig ist für Strahlung höherer Energie praktisch transparent ist deshalb Standard-Filter an Röntgenröhren zur Durchleuchtung –Ist für Abschirmungen - wegen der Transparenz für Strahlung mit Energie über 20keV - ungeeignet Zusammenfassung /Xcom/Text/XCOM.html Quelle für Energie-abhängige Streuquerschnitte, berechnet Absorptions Koeffizienten

19 Mittlere Eindringtiefen als Funktion der Energie für Luft, Wasser, Aluminium, und Blei für Photonenenergie zwischen 1 und 1000 keV


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