3p hülle
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Radiologie Modul I Teil 1 Grundlagen Röntgen Teil 1 C HNIK • Physikalische Grundlagen Röntgen E GENT ROENT STRAHLENBIOLOGIE GRUNDLAGEN RADIOLOGIE STRAHLENPHYSIK Inhalt • Strahlenbiologie • Technische Grundlagen Röntgen Physikalische Grundlagen Inhalt • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung • Wechselwirkungen • Die Energiedosis Physikalische Grundlagen Lernziele • Grundbegriffe in eigenen Worten erläutern können • Entstehung ionisierender Strahlung erklären können • Gesetze der Schwächung von Röntgenstrahlung anwenden können • mit Energiedosisbegriff vertraut sein Grundbegriffe Der Begriff der Strahlung • Energietransport durch Wellen oder Teilchen • Beispiele: Photonen Elektronen Grundbegriffe Elektromagnetische Wellen • räumliche Ausbreitung elektrischer und magnetischer Felder λ E B B E • charakterisiert durch: Wellenlänge λ Frequenz ν Geschwindigkeit c Grundbegriffe Eγ = h ⋅ν = h Wellen-Teilchen-Dualismus c λ • Energie eines einzelnen Photons abhängig von: Frequenz ν bzw. Wellenlänge λ Grundbegriffe Erscheinungsformen • Radio- und Radarwellen • Infrarot • sichtbares Licht • UV • Röntgen- und γ-Strahlung Grundbegriffe Ionisierende Strahlung - + • Ionisation = Ladungstrennung • Ionisation durch einzelnes Teilchen (Photon, Elektron, …) Æ ionisierende Strahlung Grundbegriffe Ekin = q ⋅U Das Elektronenvolt • Kraft = Ladung mal elektrische Feldstärke • Energie (Arbeit) E = Kraft mal Weg • Spannung U = elektrische Feldstärke mal Weg Grundbegriffe Das Elektronenvolt E Batterie • elektrisches Feld zwischen zwei Platten durch Anlegen einer Spannung U (Batterie) Grundbegriffe Das Elektronenvolt F = qE e- • Elektron im elektrischen Feld • Spannung = 1 V • kinetische Energie nach durchlaufen der Spannung von 1 V = 1.6022x10-19 J = 1 eV Batterie: U = 1 V Grundbegriffe Bindungsenergien COOH • Moleküle: wenige eV • Atome: einige eV (äussere Hülle) bis viele keV (innere Hülle) • Atomkerne: einige MeV Physikalische Grundlagen Inhalt • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung Erzeugung von Strahlung Mutterkern instabil Kernumwandlung Emission von Energie Radioaktiver Zerfall • Zerfall instabiler Atomkerne • Energieabgabe durch Strahlung (α, β, γ) • Tochterkern stabil oder instabil (Zerfallsketten) Tochterkern stabil Erzeugung von Strahlung e- • Nachrutschen eines Elektrons aus einer höheren Schale eee e- - Röntgenstrahlung ee- • Energieabgabe durch Strahlung (Photonen) • Andere Prozesse: Bremsstrahlung Erzeugung von Strahlung Elektronenhülle 3d 3d 3d 3d 3d 3p Energie 3s 2p 2s 1s M 3p 2p L K 3p n=3 • verschiedene Energieniveaus → Schalen (K, L, M, …) • innerhalb Schalen verschiedene Orbitale 2p n=2 n=1 on isati Io n 3d 3d 3p 3s 2p 2s ung 2p A nr eg Energie Erzeugung von Strahlung 1s Anregung & Ionisation • Anregung: Auf Elektron übertragene Energie kleiner als BindungsEnergie • Ionisation: Auf Elektron übertragene Energie grösser als BindungsEnergie Erzeugung von Strahlung Energie 2p 2s 2p L 2p n=2 K 1s • Übergang zwischen Lund K-Schale → Kα-Linien • Übergang zwischen Mund K-Schale → Kβ-Linien Kα1 Kα2 Charakt. Strahlung n=1 Erzeugung von Strahlung Anode eKathode Photonen Prinzip Röntgenröhre • Hochspannung zwischen Kathode und Anode • Austritt von Elektronen aus der Kathode und Beschleunigung • Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial Erzeugung von Strahlung Bremsstrahlung • Ablenkung und Abbremsung von Elektronen → beschleunigte Ladung • Emission von Strahlung Intensität Erzeugung von Strahlung Energie Bremsberg • maximale Photonenenergie = kinetische Energie der Elektronen (q·U) • Energieabgabe in einem einzelnen Wechselwirkungsprozess unwahrscheinlich • Absorption der niederenergetischen Photonen im Anodenmaterial Erzeugung von Strahlung Röntgenspektrum Intensität • Bremsberg • charakteristische Strahlung Energie Physikalische Grundlagen Inhalt • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung • Wechselwirkungen Wechselwirkungen Wechselwirkungen F = qE eE e- e- • Kraftwirkung auf Hüllenelektron ee- • elektromagnetische Strahlung → elektrisches Feld e- • Energieübertragung auf Hüllenelektron Wechselwirkungen Eγ1 Comptoneffekt Ekin e- • Energieübertragung auf Hüllenelektron e- e- • Hüllenelektron fliegt weg ee - e- e- Eγ2 e- • Photon wird gestreut Wechselwirkungen Eγ1 Comptoneffekt Ekin e- • vorwiegend äussere Hüllenelektronen betroffen e- eee - e- e- Eγ2 e- • wichtigster Streuprozess zwischen ca. 100 keV bis 2 MeV • Bedeutung in der Diagnostik: Produziert Streustrahlung Wechselwirkungen 120° 90° Streustrahlung 60° 150° c 30° b • tiefe Energien (c): Viel Rückstreuung a 180° 8 6 4 2 0° 0 2 (a) 3 MeV (b) 200 keV (c) 10 keV 4 6 8 • hohe Energien (a): Vorwärtsstreuung dominiert Wechselwirkungen Streustrahlung • Strahlenschutzproblem • Einfluss auf Bildqualität Wechselwirkungen Photoeffekt Eγ1 • Energieübertragung auf Hüllenelektron: ALLE Energie des Photons in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt e - e- Ekin ee - e- e- ee- • Hüllenelektron fliegt weg • KEIN gestreutes Photon Wechselwirkungen Photoeffekt • vorwiegend innere Hüllenelektronen betroffen Eγ1 e - e- Ekin • häufig bei tiefen Energien (unterhalb 100 keV) e - e - e- e- ee- • vorwiegend bei schweren Elementen: Calcium → Knochenkontrast im Röntgenbild Wechselwirkungen Paarbildung eEγ1 e+ • Äquivalenz zwischen Energie und Masse (E = mc2) • Photonenenergie grösser 1.022 MeV • Elektron-Positron-Paar entsteht Wechselwirkungen Absorption / Schwächung • Schwächung stark bei → schweren und dichten Materialien → niedrigen Photonenenergien • je dicker der Absorber, desto stärker die Schwächung 8 4. Halbwertschicht 16 3. Halbwertschicht 2. Halbwertschicht 32 1. Halbwertschicht Anz. Photonen Wechselwirkungen 4 Beer-Lambertsches Gesetz • konstante Schichtdicke, bei der 50% der Photonen absorbiert werden: → Halbwertschicht 2 1 • nach 2 Halbwertsschichten ¼ der Strahlungsintensität Dicke x • exponentielle Abschwächung Anz. Photonen N Wechselwirkungen Absorptionskoeffizient μ • grosses μ → kleine Halbwertschicht μ klein μ gross Dicke x • kleines μ → grosse Halbwertschicht N ( x) = N 0 e − μx Wechselwirkungen Energieabhängigkeit μ/ρ [cm2/g] 1 μ/ρ 0.1 0.01 • bei tiefen Energien dominiert der Photoeffekt (τ/ρ) τ/ρ σ/ρ κ/ρ 0.01 0.1 1 Eγ [MeV] 10 100 • zwischen 100 keV und ca. 2 MeV dominiert der Comptoneffekt (σ/ρ) • Paarbildung (κ/ρ) findet oberhalb 1.022 MeV statt Wechselwirkungen Energieabhängigkeit 100% • Beer-Lambertsches Gesetz gilt nicht immer! 1.2 MeV D(x)/Dmax 200 kV 100 kV 29 kV 50 kV 1 2 3 Tiefe x [cm] in Wasser 4 • Faustregel für Röntgenstrahlung unterhalb 150 keV: je höher die Photonenenergie, desto grösser die Durchdringungsfähigkeit Physikalische Grundlagen Inhalt • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung • Wechselwirkungen • Die Energiedosis Die Energiedosis Definition • Strahlungsenergie ΔE, die pro Masse Δm absorbiert wird. • SI-Einheit: Joule / kg = Gy ΔE D= Δm Die Energiedosis Quadrat. Abstandsgesetz Abstand r D0 D(r ) = 2 r Physikalische Grundlagen Ende • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung • Wechselwirkungen • Die Energiedosis
