Vorkenntnisse
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Vorkenntnisse Medizinische Biophysik 9 Charakterisierung der Röntgenstrahlung • elektromagnetische Strahlung • Photonenergie: Mechanik: Dynamik: Energie, kinetische Energie, Energieerhaltungssatz, Wellen: Frequenz, Welle, Transversalwelle, Wellenlänge, c = λ ⋅ν Elektrizitätslehre: elektrische Ladung, elektrische Spannung, elektrischer Strom, Stromstärke Struktur der Materie: Atomphysik: elektromagnetische Strahlungen, lichtelektrischer Effekt, Photon; Photonenenergie, Elektronenübergänge, Lichtemission (Lumineszenz); Kernphysik: Ordnungszahl, • Wirkungen: – Ionisation – Lumineszenz (Fluoroskopie, Bildverstärker) – chemische (z.B. Photo) – biologische (Strahlenschädigung) – Diagnostik: 30-200 keV – Therapie: 5-20 MeV • Entstehung: in der Elektronenhülle • Typen • Wellenlänge: ~ pm – Bremsstrahlung – charakteristische Strahlung Photonenenergie: meV eV keV MeV GeV Historie • 1895 Wilhelm Conrad Röntgen X-Strahlung (X-ray) • 1896 erste medizinische Anwendung • 1901 Nobel Preis (erste Nobel Preis in Physik) … heute: 3D Röntgen-CT Geräte zur Erzeugung der Röntgenstrahlung Röntgenröhre Teilchenbeschleuniger Entstehung der Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung Entsteht wenn hochenergetische (beschleunigte) geladene Teilchen ihre Energie abgeben. Röntgenröhre (Diagnostik) Teilchenbeschleuniger (Therapie) Die Röntgneröhre Die Röntgenröhre (1) Die Röntgenröhre (2) U Anode I UHeiz UHeiz Vakuum Isolator Heizkathode: Heizung (T Erhöhung) Ö Erhöhte thermische Energie Ö Elektronen treten aus der Kathode aus. (Glühelektrischer Effekt) Anodenspannung(U) (typisch 30-200 kV): beschleunigt die Elektronen U·e = Ekin Elementarladung e=1,6·10-19 C kinetische Energie des beschleunigten Elektrons Die Röntgenröhre (3) U Bremsstrahlung I UHeiz Kinetische Energie Ö Photonenenergie (Rtg) Energie Ö Thermische Ekin ≥ h f c Ue = Ekin ≥ hf = h λ c Ue ≥ h λ hc λ≥ = λmin Ue Röntgenstrahlung entsteht wenn die beschleunigten Elektronen auf die Anode prallen. 1. Abbremsung (Bremsstrahlung) 2. Elektronenausstoß+Elektronenübergang (Charakteristische Str.) Grenzwellenlänge, Duane-Hunt Gesetz hc λ≥ = λmin Ue λmin Emissionsspektrum der Bremsstrahlung ΔP Δλ Konst. U2 1230 kV ⋅ pm = U Rechenaufgaben 21 u. 22 nicht SI aber praktische Einheit U1 λmin λmax harte Anodenspannung ↑ λmin ↓ λmax ↓ Ephoton ↑ härtere Strahlung Nphoton ↑ Leistung ↑↑ λ P ~ U2 weiche Strahlung 16 Emissionsspektrum der Bremsstrahlung ΔP Δλ Anodenstrom ↑ λmin λmax Ephoton härte d. Strahlung Nphoton ↑ Leistung ↑ I2 U2 I1 U1 λ P~I weiche Ohm λmin λmax harte Regulierung der Anodenstromstärke Strahlung P (gesamte Röntgenleistung) P (λ1,λ2) λ λmin I UHeiz mehr Heizung mehr Elektronen treten aus größerer Anodenstrom (I=ΔQ/Δt) 17 Leistung der Röntgenstrahlung ΔP Δλ U Konst. (1,1·10-9 V-1) P = cRtg·U2·I·Z Anodenspannung Anodenstromstärke Ordnungszahl des Anodenmaterials Wirkungsgrad der Röntgenröhre nützliche Leistung investierte Leistung cRtgU 2 IZ η= = cRtgUZ UI Wirkungsgrad = Anodenmaterial mit hoher Ordnungszahl ! Praktisch: Wolfram (Z=74) typisches η : 1% 99% Wärme! Zblei=82 ! Aber: TSchm,W ≈ 3400°C TSchm,Pb ≈ 330°C Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung Ekin beschleunigtes Elektron aus der Kathode Atom des Anodenmaterials Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung leere Stelle Atom des Anodenmaterials Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung leere Stelle gefüllt charakteristisches Röntgenphoton hf =ΔE Atom des Anodenmaterials Atom des Anodenmaterials Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung Spektrum der charakteristischen Röntgenstrahlung E E ΔP Δλ eV keV M L L L U2 U1 K K Linien Atom des Anodenmaterials K U0 Linien λK λL λ Anwendung der charakteristischen Röntgenstrahlung fast monochromatische Röntgenstrahlung -Diagnostik (zB.: Mammographie) Biophysik für Mediziner ¾ II/3.1.1 ¾ II/3.1.2 ¾ II/3.1.3 ¾ II/3.1.4 Rechenaufgaben 9 21, 22 9 (23,28) -Strukturanalyse der Materie (Röntgenbeugung) Praktikum Medizinische Physik Abschnitt 13, 13b
