Medizinische Biophysik Wechselwirkungen zwischen Rntgenstrahlung und Materie Detektoren
Medizinische Biophysik Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlung und Materie. Detektoren. Röntgendiffraktion 10
Notwendige Vorkenntnisse • • Photoeffekt, Compton-Effekt, Paarbildung, Photon; Photonenenergie, Aufbau des Atoms Elektronenübergänge, Lichtemission (Lumineszenz), Kristalle, Kristalldefekte, Halbleiter, dotierte Halbleiter, Halbleiterdiode Interferenz und Beugung von Licht, Huygenssches Prinzip,
Schwächung der Röntgenstrahlung Grund der Röntgendiagnostik Ähnlich zur Schwächung der g-Strahlung J Schwächungsgesetz: J 0 -mx J=J 0·e m(Stoff, ρ, l) = mm(Stoff, l)·ρ Z Massenschwächungskoeffizient x
Schwächung der Röntgenstrahlung J J 0 /2 J 0 /4 J 0 /8 0 D 2 D 3 D x
Teilprozesse der Schwächung der Röntgenstrahlung Photoeffekt Compton Streuung mm=tm+sm( +km) unterschiedliche Stoff(Z)und l (oder Eph) Abhängigkeit
Photoeffekt tm=const·l 3·Z 3 hf Ekin starke Z Abhängigkeit! diagn. Bedeutung! Beispiel: 10% Z Erhöhung 110%=1, 13=1, 331 33% tm Erhöhung! bei weicher Strahlung
Compton Streuung hf Ekin hf’ sm=const·Z /A praktisch unabhängig von Z ! z. B: C P Ca Pb Z 6 15 20 A 12 31 40 Z/A 0, 5 0, 48 0, 5 Schwache Wellenlängenabhängigkeit:
Paarbildung hf e- Ekin e+ Ekin hf ≥ 2 mec 2 1 Me. V nur bei therap. Rtg. und g-Strahlung
Photonenenergieabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten mm Wasser tm km sm
(%) Verteilung der Effekten der Strahlenschwächung für Wasser 100 90 Photo. Effekt Compton-Effekt Anteil des Effektes 80 70 60 Therapie Diagnostik 50 Paarbildung 40 30 klassische Streuung 20 10 0 0. 01 0. 1 1 10 100 Photonenenergie (Me. V) Johns, Cunningham: The physics of radiology, Charles C Thomas, 1983
Absorptionskanten tm hf Ekin AK AL AM EPhoton=hf =A+Ekin Photoeffekt ist möglich in: AL EPhoton AK K Schale L Schale M Schale
Relative Intensität (%) Schwächung der monoenergetischen Röntgenstrahlung Schichtdicke (cm) z. B: μ = 0. 347 cm-1, D = 2. 0 cm Schichtdicke (cm)
1. D = 0. 99 mm 2. D = 1. 90 mm 3. D = 2. 00 mm Die durchschnittliche Photonenenergie erhöht sich mit der Eindringstiefe: die Strahlung wird härter! Relative Intensität (%) Schwächung einer reellen Röntgenstra D D D Schichtdicke (cm) Khan: The physics of radiation therapy, Williams&Wilkins, 1994
Detektierung der Röntgen(und g-)Strahlung Szintillation Photographie
Detektierung der Röntgenund g-Strahlung Gasionisation Halbleiter
Szintillation • Szintillationskristall (Szintillationszähler) (siehe Praktikum!) Rtg oder g Str. Licht Na. I(Tl)
Szintillationsschirm (Fluoroskopie) hell dunkel Fluoroskopie: Heute nur mit Bildverstärker!
Szintillation „Flat panel” Röntgendetektor zur digitalen Röntgentechnik Röntgenstrahlung Szintillator
Szintillation Thermoluminescence Angeregter Zustand Wärme Metastabiler Zustand Grundzustand Anwendung: Dosimetrie
Photographie Photochemischer Effect der Röntgenstrahlung: Schwärzung des Röntgenfilmes. dunkel hell
Vergleich des photographischen und fluoroskopischen Bildes Photographisch Szintillation (Fluoroskopie) dunkel hell dunkel
Gasionisationsdetektoren Ionisationskammer + +++ + + + ++ + I A +
Ionenstrom Gasionisationsdetektoren Ionisationskammer: alle Ionen werden gesammelt. s. Dosimetrie Geiger. Müller Bereich: Lawineeffekt: Teilchen Spannungsimpuls
Geiger-Müller Zahlrohr Zähler Nachteil: kleine Empfindlichkeit für g-Strahlung Nicht Energieselektive Vorteil: einfache Aufbau Anwendung: Dosimetrie
Halbleiter Prinzip: Halbleiterdiode in Sperrichtung: Loch im Valenzband Elektron im Leitungsband n p I A A
Halbleiter Anwendung der Halbleiterdetektoren in der Röntgendiagnostik: Röntgenstrahlung Elektrode Halbleiter Transistor Elektrode
Vergleich von direkten und indirekten Halbleiterdetektoren
Röntgendiffraktion Zur Erinnerung: Diffraktion des Lichtes kl Anwendung der Röntgenstrahlung in Strukturanalyse der Materie.
Röntgendiffraktion Was für ein Gitter passt zur Röntgenstrahlung? l < ~ d l. Rtg 10 -100 pm H 100 pm nλ = 2 d sinΘ Atomgitter → Kristall → auch DNS o. Proteinkristall!
Röntgenröhre 10 -40 k. V Kristall PB Kollimator Nicht gebeugte Strahlung (0 -te Ordnung Gebeughte Strahlen Photoplatte
Anwendung der charakteristischen Röntgenstrahlung: Röntgendiffraktion Lysozyme
Biophysik für Mediziner Ø I/3. 3 Ø II/3. 1. 5 Ø II/3. 2. 5 Ø S. 486 Ø II/4. 2. 1 Ø II/4. 2. 2 Ø II/4. 2. 3 Rechenaufgaben - Praktikum Medizinische Physik Abschnitt 9, 10, 13, 14
Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Biophysik für Mediziner Ø I/3. 3 Ø II/3. 1. 5 Ø II/3. 2. 5 Ø S. 486 Ø II/4. 2. 1 Ø II/4. 2. 2 Ø II/4. 2. 3 Rechenaufgaben - Praktikum Medizinische Physik Abschnitt 9, 10, 13, 14
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