Bildgebung mit Röntgenstrahlen. Erzeugung von Röntgenstrahlung

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Josef Hoch
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1 Erzeugung von Röntgenstrahlung

2 Scanogramm Röntgen- Quelle Detektor Entwicklung Verarbeitung Tomogramm

3 Erzeugung von Röntgenstrahlung: Grundprinzip: Photoelektrischer Effekt - Erzeugung freier Elektronen durch Erhitzen einer Schwermetallwendel (Kathode) - Beschleunigung im elektrischen Feld ( kv) - Abbremsung in Anodenmaterial (Umsetzung 99 % E kin in Wärme, 1 % in Röntgenstrahlung) - Bremsstrahlung, charakteristische Strahlung - Vakuum (< 10-5 mbar); Vermeidung WW mit Luftmolekülen

4 Erzeugung von Röntgenstrahlung: W. Crookes 1904

5 Frequenz der Röntgenstrahlung: Elektronenenergie nach Durchlaufen der Beschleunigungsspannung: E kin mit ν = e U E = Photo A e U h = h ν A Frequenz der Röntgenstrahlung linear abh. von Röhrenspannung U A λ=1/υ Strahlungsart 1 kv nm weich 10 kv nm mittel 100 kv nm hart

6 Bohrsches Atommodell M (18e - ) L (8e - ) K (2e - )

7 Energie der Röntgenstrahlung: 1. Bremsstrahlung: Beschleunigte Elektronen geraten in Nähe eines Atomkerns (zwischen Kern und K-Schale) - Ablenkung durch Coulomb-Potential des Kerns und der Hüllenelektronen - Abbremsung (Umwandlung von E kin in e.m. Energie) - Abstrahlung der Energie als Bremsstrahlung h υ Energie der Bremsstrahlung hängt von Flugbahn ab breites Energiespektrum!

8 Energie der Röntgenstrahlung: 1. Bremsstrahlung: räumliche Intensitätsverteilung der Bremsstrahlung ( Strahlungskeulen )

9 Energie der Röntgenstrahlung: 2. Charakteristische Strahlung: Beschleunigte Elektronen schlagen gebundene Elektronen aus K- (oder L-) Schale Ionisation Auffüllen der freien Stelle durch freies Elektron oder aus äußerer Schale Freisetzen der Energiedifferenz (hυ=e m -E n ) als Quant mit charakteristischer Frequenz υ E(e - ) 70 kev fi K a ~ 59 kev Energie der charakteristischen Strahlung nur materialabhängig!

10 Energie der Röntgenstrahlung: 2. Charakteristische Strahlung: Berechnung der Energie der Kα-Strahlung Mosleysches Gesetz: mit E K α R Z = 3 4 R ( Z 1) = Rydbergkonstante = Ordnungszahl 2 ( s 1 )

11 Energie der Röntgenstrahlung: 3. Gesamtes Energiespektrum: Charakteristische Strahlung Linienspektrum Bremsstrahlung

12 Erzeugung von Röntgenstrahlung: - Frequenz abh. von Röhrenspannung - Energie abh. von Materialeigenschaften Anforderungen an Anodenmaterial: - Hohe Ordnungszahl Z (Ausbeute an Rö.-Strahlen steigt prop. mit Z) - Hoher Schmelzpunkt T max - Hohe Wärmeleitfähigkeit κ - Qualitätsmaß = Z. T max. κ Am meisten verwendet: Wolfram oder Wolfram-Rhenium

13 Erzeugung von Röntgenstrahlung: Qualitätskriterien für Röntgenquellen in der medizinischen Bildgebung - hohe Leistung kurze Belichtungszeit - kleiner Fokus Schärfe - einstellbare Quantenenergie Kontrast - kostengünstige Herstellung - wenig Wartung, lange Lebensdauer

14 Erzeugung von Röntgenstrahlung: Qualitätskriterien für Röntgenquellen in der medizinischen Bildgebung Eine hohe Leistung und ein kleiner Fokus kann durch Verwendung einer schräg gestellten Anode und durch eine rotierende Anode (Drehanode) erreicht werden

15 Generierung von Röntgenstrahlung (Drehanode): Wärmeabführung durch Rotation

16 Aufbau einer Drehanode:

17 Anodenmaterial:

18 Generierung von Röntgenstrahlung (Drehanode):

19 Erzeugung von Röntgenstrahlung: Beispiel: Straton-Röhre (Siemens, 2003) direkte Anodenkühlung Mechanik außerhalb Vakuum Rotationszeit: 0.37 sec Sub-mm Volumen-Scans bei 500 mas für 20 sec (64 mm/sec) Dosisreduktion unabh. von Patientengröße u. Anatomie

20 Wirkungsgrad h und Strahlungsleistung D: η Strahlungsleistung elektrische Leistung = k Z U A [%] wobei k = [V -1 ] Z = Ordnungszahl des Anodenmaterials U A = Röhrenspannung Beispiel: Wolfram-Anode, Z=74, U A =125 kv η = 1.02 % (in der Praxis < 1% wg. Filterung und Ausblendung; Rest: Wärme) D Z. I. U A 2 wobei I = Röhrenstrom (weitestgehend fest vorgeschrieben!)

21 Einfluss von Röhrenspannung und -strom: - Flussdichte der Röntgenstrahlung: ψ ~ Z. I. U n a - Röhrenspannung bestimmt Härte der Strahlung Potentieller Einfluss (ungefiltert: n=2; mit Filter bis n=5) - Röhrenstrom bestimmt Photonenanzahl/sec Linearer Einfluss

22 Röntgenstrahlung: Klassifizierung Strahlungsart λ min - λ max [nm] f min - f max [GHz] E [kev] überweich weich mittelhart hart überhart < > > 248 Typische CT-Röntgenröhre: Beschleunigungsspannung 120 kv Wolfram-Anode: ~ keV Ionisierung von lebendem Gewebe bereits bei 15 ev!!

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