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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 49 I Datum

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 Frank.Zoellner@MedMa.Uni-Heidelberg.de

Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 50 I Datum

Eigenschaften von Röntgenstrahlen

! Schwächungseffekt

!  Luminanzeffekt

!  Ionisationseffekt

! Photographischer Effekt

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 51 I Datum

Schwächung der Röntgenstrahlung

!  primäre Wechselwirkung

! Es treten auf:

" Energieübertragung

" Energieabsorption

" Energieumwandlung

Streustrahlen

Primärstrahlung

Absorption

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 52 I Datum

X Kann vernachlässigt werden !

Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999

Physikalische Prozesse 3 physikalische Prozesse:

- Photoeffekt - Streuung - Paarbildung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 53 I Datum

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 54 I Datum

Photoabsorptionskoeffizient

! Abhängig von " der Materiedichte " der Materiedicke " der Ordnungszahl " der Photonenenergie

! Bindungsenergie = Photonenenergie → Resonanzeffekt

! Resonanzeffekt begünstigt Auslösen des Elektrons

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 55 I Datum

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 56 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

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 57 I Datum

Streustrahlung

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 58 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

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 59 I Datum

I0

Δx

P

Reflexion

Streuung

Linearer Schwächungskoeffizient µ = Summe aller Teilabschwächungen

Quantifizierung der Wechselwirkung durch Schwächungsgesetz:

Wechselwirkung von Strahlen mit Materie

I

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 60 I Datum

µ = τ + σ + χ

τ

σ

χσCσR

τflητ σSησσR

η µ-η

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Totaler linearer Schwächungskoeffizient µ

Elektronen Photonen

Koeffizient der Photoabsorptio

n Streuung

Paarbildung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 61 I Datum

Schwächungskoeffizient

Schwächung in Abhängigkeit der Dicke (d)

Schwächungskoeffizienten und Wechselwirkungen

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 62 I Datum

Massenschwächungskoeffizient µm, Division mit Dichte der Materie ρ:

Weitere Schwächungskoeffizienten

Massenabsorptionskoeffizient für Photonenabsorption (Näherung) !  λ= Wellenlänge der Röntgenstrahlung !  Z = Ordnungszahl des durchstrahlten

Stoffes !  C = materialunabhängige Konstante

Lineare Schwächungskoeffizient

Dichte

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 63 I Datum

Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000

Schwächung: Zusammenfassung

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 64 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

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 65 I Datum

Beispiele

Kennen Sie Beispiele für Lumineszenz? Wobei könnte Lumineszenz in der Röntgentechnik wichtig sein ?

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 66 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

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 67 I Datum

Ionisation

! Gibt es Anwendungen für Ionisation?

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 68 I Datum

Zusammenfassung

! Röntgenstrahlen wechselwirken mit Materie

! Schwächung Hauptanteil

" Streuung, Absorption

! Ionisation

" Strahlen können Ionen erzeugen

! Lumineszenzeffekt