Eigenschaften der Röntgenstrahlen

Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und
Sonographie
Eigenschaften der Röntgenstrahlen
PD Dr. Frank Zöllner
Computer Assisted Clinical Medicine
Faculty of Medicine Mannheim
University of Heidelberg
Theodor-Kutzer-Ufer 1-3
D-68167 Mannheim, Germany
[email protected]
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 49 I Datum
Eigenschaften von Röntgenstrahlen
!  Schwächungseffekt
!  Luminanzeffekt
!  Ionisationseffekt
!  Photographischer Effekt
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 50 I Datum
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Schwächung der Röntgenstrahlung
!  primäre Wechselwirkung
!  Es treten auf:
Streustrahlen
"  Energieübertragung
Primärstrahlung
"  Energieabsorption
Absorption
"  Energieumwandlung
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 51 I Datum
Physikalische Prozesse
3 physikalische Prozesse:
- Photoeffekt
- Streuung
- Paarbildung
X
Kann vernachlässigt werden !
Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 52 I Datum
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Photoeffekt (Absorption)
!  Energie des Röntgenquants
wird auf ein Elektron der
Atomhülle (K, L –Schalen)
übertragen
!  Elektron wird aus der Hülle
geschleudert
!  alternativ: Anhebung eines
Elektrons auf höhere Schale
!  tritt hauptsächlich bei
Röntgenstrahlen mit niedriger
Energie auf
Hartmann et al, Fachwissen MTRA, Springer 2014
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 53 I Datum
Photoabsorptionskoeffizient
!  Abhängig von
"  der
Materiedichte
"  der Materiedicke
"  der Ordnungszahl
"  der Photonenenergie
!  Bindungsenergie =
Photonenenergie →
Resonanzeffekt
!  Resonanzeffekt begünstigt
Auslösen des Elektrons
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 54 I Datum
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Streuung (Compton Effekt)
!  Compton Effekt
" 
Richtungsänderung des
Röntgenquants mit partieller
Energieänderung
" 
äußere Atomschalen
" 
Compton-Elektron herausgelöst
!  unabhängig von der
Ordnungszahl
!  Compton-
Wechselwirkungskoeffizient
" 
Streuung + Absorption
Hartmann et al, Fachwissen MTRA, Springer 2014
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 55 I Datum
Klassische Streuung
!  Richtungsänderung des Photons ohne Energieverlust
!  Energieaufnahme und Abgabe
"  Elektron
wird analog zum Photoeffekt angehoben
"  bei
der Rückkehr in die Ausgangslage wird Photon
abgestrahlt
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 56 I Datum
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Streustrahlung
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 57 I Datum
Paarbildung
!  Bildung eines Elektrons und
Positrons
" 
nur bei hohen Strahlungsenergien
(> 2* 511 keV)
!  Positron zerfällt in zwei 511
keV Photonen
!  relevant in der
Radiotherapie, PET
Bildgebung
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 58 I Datum
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Wechselwirkung von Strahlen mit Materie
Δx
Reflexion
I
Linearer Schwächungskoeffizient µ
P
I
= Summe aller Teilabschwächungen
Streuung
0
Quantifizierung der
Wechselwirkung
durch Schwächungsgesetz:
I0 = Intensität der Strahlung beim
Auftreffen auf das Objekt
I = Intensität der Strahlung nach
dem verlassen des Objekts
Δx = Dicke der Materie
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 59 I Datum
Totaler linearer Schwächungskoeffizient µ
µ=τ+σ+χ
Koeffizient der
Photoabsorptio
n
Streuung
σ
Morneburg. “Bildgebende Systeme
für die medizinische Diagnostik” 1995
τ
σR
ητ
τfl
η
Elektronen
σR
σC
ησ
χ
σS
Paarbildung
µ-η
Photonen
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 60 I Datum
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Schwächungskoeffizient
Schwächungskoeffizienten und
Wechselwirkungen
Schwächung in Abhängigkeit der
Dicke (d)
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 61 I Datum
Weitere Schwächungskoeffizienten
Massenschwächungskoeffizient µm, Division mit Dichte der Materie ρ:
Lineare
Schwächungskoeffizient
Dichte
Massenabsorptionskoeffizient für
Photonenabsorption (Näherung)
!  λ= Wellenlänge der Röntgenstrahlung
!  Z = Ordnungszahl des durchstrahlten
Stoffes
!  C = materialunabhängige Konstante
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 62 I Datum
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Schwächung: Zusammenfassung
Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 63 I Datum
Luminenszenzeffekt
!  Röntgenstrahlen regen
bestimmte Stoffe zur
Lichtemission an
!  Fluoreszenz
"  Lichtemission
nur während
der Bestrahlung
!  Phosphoreszenz
"  Absorbierte
Energie wird
gespeichert und über einen
Zeitraum wieder
abgegeben
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 64 I Datum
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Beispiele
Kennen Sie Beispiele für Lumineszenz?
Wobei könnte Lumineszenz in der Röntgentechnik wichtig
sein ?
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 65 I Datum
Ionisationseffekt
!  Röntgenstrahlen bewirken beim
Durchtritt durch ein Gas Ionisation
!  Elektron wird aus dem Gasmolekül
abgetrennt, es entsteht ein Ion
!  u.a. auch in biologischem Gewebe
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 66 I Datum
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Ionisation
!  Gibt es Anwendungen für Ionisation?
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 67 I Datum
Zusammenfassung
!  Röntgenstrahlen wechselwirken mit Materie
!  Schwächung Hauptanteil
" Streuung,
Absorption
!  Ionisation
" Strahlen
können Ionen erzeugen
!  Lumineszenzeffekt
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 68 I Datum
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