Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlung und Materie. Detektoren. Röntgendiffraktion Medizinische Biophysik 10

Notwendige Vorkenntnisse Photoeffekt, Compton-Effekt, Paarbildung, Photon; Photonenenergie, Aufbau des Atoms Elektronenübergänge, Lichtemission (Lumineszenz), Kristalle, Kristalldefekte, Halbleiter, dotierte Halbleiter, Halbleiterdiode Interferenz und Beugung von Licht, Huygenssches Prinzip,

Schwächung der Röntgenstrahlung Grund der Röntgendiagnostik Ähnlich zur Schwächung der  -Strahlung Schwächungsgesetz: J = J 0 · e -  x J J0J0 x  (Stoff, ρ, ) Z  m (Stoff, )· ρ Massen- schwächungs- koeffizient

Schwächung der Röntgenstrahlung J0J0 J 0 /2 D2Dx J J 0 /4 3D J 0 /8 0

Teilprozesse der Schwächung der Röntgenstrahlung Photoeffekt Compton Streuung unterschiedliche Stoff(Z)- und (oder E ph ) Abhängigkeit  m =  m +  m +  m ()

Photoeffekt  m =const· 3 · Z 3 starke Z Abhängigkeit! diagn. Bedeutung! Beispiel: 10% Z Erhöhung 110%=1,1 1,1 3 =1,331 33%  m Erhöhung! bei weicher Strahlung E kin hf

Compton Streuung Schwache Wellenlängenabhängigkeit:  m =const· Z /A praktisch unabhängig von Z ! zB: CPCaPb Z A 12  3140 Z/A 0,50,480,5 E kin hf hf’

Paarbildung hf ≥ 2 m e c 2  1MeV nur bei therap. Rtg. und  -Strahlung hf E kin e-e- e+e+

Photonenenergieabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten mm mm mm mm Wasser

Verteilung der Effekten der Strahlenschwächung für Wasser Diagnostik Therapie Johns, Cunningham: The physics of radiology, Charles C Thomas, Photonenenergie (MeV) Anteil des Effektes (%) Compton-Effekt Paar- bildung Photo- Effekt klassische Streuung

Absorptionskanten E kin hf E Photon = hf = A + E kin ALAL AKAK AMAM E Photon mm AKAK ALAL Photoeffekt ist möglich in: K Schale L Schale M Schale

Relative Intensität (%) Schwächung der monoenergetischen Röntgenstrahlung Relative Intensität (%) zB: μ = cm -1, D = 2.0 cm Schichtdicke (cm)

Schwächung einer reellen Röntgenstrahlung 1.D = 0.99 mm 2.D = 1.90 mm 3.D = 2.00 mm Die durchschnittliche Photonenenergie erhöht sich mit der Eindringstiefe: die Strahlung wird härter! Khan: The physics of radiation therapy, Williams&Wilkins, 1994 Relative Intensität (%) Schichtdicke (cm) D D D

Szintillation Photographie Detektierung der Röntgen- (und  -)Strahlung

Detektierung der Röntgen- und  -Strahlung Gasionisation Halbleiter

Szintillation Szintillationskristall (Szintillationszähler) (siehe Praktikum!) NaI(Tl) Rtg oder  Str. Licht

Szintillation Szintillationsschirm (Fluoroskopie) hell dunkel Fluoroskopie: Heute nur mit Bildverstärker!

Szintillation „Flat panel” Röntgendetektor zur digitalen Röntgentechnik Röntgenstrahlung Szintillator

Szintillation Thermoluminescence Grundzustand Angeregter Zustand Metastabiler Zustand Wärme Anwendung: Dosimetrie

Photographie Photochemischer Effect der Röntgenstrahlung: Schwärzung des Röntgenfilmes. dunkel hell

Vergleich des photographischen und fluoroskopischen Bildes Photographisch Szintillation (Fluoroskopie) dunkel hell dunkel

Gasionisationsdetektoren Ionisationskammer - + A I  +

Ionisations- kammer: alle Ionen werden gesammelt. s. Dosimetrie Geiger- Müller Bereich: Lawine- effekt: Teilchen Spannungs- impuls Gasionisationsdetektoren Ionenstrom

Geiger-Müller Zahlrohr Nachteil: kleine Empfindlichkeit für  Strahlung Nicht Energieselektive Vorteil: einfache Aufbau Anwendung: Dosimetrie Zähler

Halbleiter Prinzip:Halbleiterdiode in Sperrichtung: Elektron im Leitungs- band n p Loch im Valenzband A A I

Halbleiter Anwendung der Halbleiterdetektoren in der Röntgendiagnostik: Röntgenstrahlung Elektrode Transistor Halbleiter

Vergleich von direkten und indirekten Halbleiterdetektoren

Röntgendiffraktion Anwendung der Röntgenstrahlung in Strukturanalyse der Materie. Zur Erinnerung: Diffraktion des Lichtes k

Röntgendiffraktion Was für ein Gitter passt zur Röntgenstrahlung?  < d  Rtg pm Atomgitter → Kristall → auch DNS o. Proteinkristall! ~ H  100 pm nλ = 2d sinΘ

Röntgenröhre kV PB Kollimator Kristall Nicht gebeugte Strahlung (0-te Ordnung) Gebeughte Strahlen Photoplatte

Lysozyme Anwendung der charakteristischen Röntgenstrahlung: Röntgendiffraktion

Biophysik für Mediziner  I/3.3  II/3.1.5  II/3.2.5  S.486  II/4.2.1  II/4.2.2  II/4.2.3 Rechenaufgaben - Praktikum Medizinische Physik Abschnitt 9,10,13,14

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Biophysik für Mediziner  I/3.3  II/3.1.5  II/3.2.5  S.486  II/4.2.1  II/4.2.2  II/4.2.3 Rechenaufgaben - Praktikum Medizinische Physik Abschnitt 9,10,13,14