Röntgenstrahlung zur Durchleuchtung und zur Strukturanalyse

Inhalt Das Absorptionsgesetz Strahlung zur Durchleuchtung Medizin Materialprüfung Strahlung für die Strukturanalyse Beugung der Röntgenstrahlen

Absorption von Röntgenstrahlen Joule/ (sm2) Intensität 1/m Schwächungs-koeffizient 1 m2 1 barn Streu-querschnitt pro Teilchen x 1 m Eindringtiefe 1/m3 Anzahldichte der Teilchen

Anteile zum Streuquerschnitt von Röntgenstrahlen Kohärente Streuung Photoeffekt Compton Effekt Paarbildung Z 1 Kernladungszahl 1 Joule Energie des Photons A 1 m2 Bestrahlte Fläche

Absorption von Röntgenstrahlen Absorptionskante: Anregung des Kohlenstoffs auf der K-Schale Absorption von Röntgenstrahlen Photoeffekt 106 103 1 0,1 1 10 100 1000 1.000.000 Paarbildung Kohärente Streuung Compton-Effekt

Charakteristische Strahlung Aufbau einer Röntgenröhre für medizinische Durchleuchtung: 2,5 mm starkes Al-Fenster Bremsstrahlung Charakteristische Strahlung Fenster: 2,5 mm Al 60 V 50 kV

Absorption von 2,5 (3,0) mm Aluminium in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung

Spektrum der Röntgenstrahlen nach einem 2,5 mm Al Fenster bei Anregung mit 35 kV Photoeffekt 106 103 1 0,1 1 10 100 1000 1.000.000 Filter: 2,5 mm Al Röntgen mit 35 kV Paarbildung Kohärente Streuung Compton-Effekt

Spektrum der Röntgenstrahlen nach einem 2,5 mm Al Fenster bei Anregung mit 100 kV Photoeffekt 106 103 1 0,1 1 10 100 1000 1.000.000 Filter: 2,5 mm Al Röntgen mit 100 kV Paarbildung Kohärente Streuung Compton-Effekt

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 Bremsstrahlung Charakteristische Strahlung Fenster: 0,4 mm Be 60 V 50 kV

Transmission von 0,4 mm Beryllium in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung

Cu-Anode mit Brennfleck 0,5 * 8 mm

Cu-Anode mit Beryllium Fenster

Absorption von Röntgenstrahlen nach einem Beryllium Fenster Photoeffekt 106 103 1 0,1 1 10 100 1000 1.000.000 Gefürchtet! Röntgen mit 45 kV Paarbildung Kohärente Streuung Compton-Effekt Erwünscht

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

Zusammenfassung 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 Äußerste Vorsicht beim Umgang mit Feinstrukturröhren! Schwere Strahlenschäden drohen!

finis