Radiologie Modul I. Teil 1 Grundlagen Röntgen

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1 Radiologie Modul I Teil 1 Grundlagen Röntgen

2 Teil 1 Inhalt Physikalische Grundlagen Röntgen Strahlenbiologie Technische Grundlagen Röntgen ROENTGENTECHNIK STRAHLENPHYSIK GRUNDLAGEN RADIOLOGIE STRAHLENBIOLOGIE

3 Physikalische Grundlagen Inhalt Grundbegriffe Erzeugung ionisierender Strahlung Wechselwirkungen Die Energiedosis

4 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

5 Grundbegriffe Der Begriff der Strahlung Energietransport durch Wellen oder Teilchen Beispiele: Photonen Elektronen

6 Grundbegriffe Elektromagnetische Wellen λ räumliche Ausbreitung elektrischer und magnetischer Felder B E E B charakterisiert durch: Wellenlänge λ Frequenz ν Geschwindigkeit c

7 Grundbegriffe Wellen-Teilchen-Dualismus E γ = ν h =h c λ Energie eines einzelnen Photons abhängig von: Frequenz ν bzw. Wellenlänge λ

8 Grundbegriffe Erscheinungsformen Radio- und Radarwellen Infrarot sichtbares Licht UV Röntgen- und γ-strahlung

9 Grundbegriffe Ionisierende Strahlung - Ionisation = Ladungstrennung + Ionisation durch einzelnes Teilchen (Photon, Elektron, ) ionisierende Strahlung

10 Grundbegriffe Das Elektronenvolt E kin = q U Kraft = Ladung mal elektrische Feldstärke Energie (Arbeit) E = Kraft mal Weg Spannung U = elektrische Feldstärke mal Weg

11 Grundbegriffe Das Elektronenvolt E elektrisches Feld zwischen zwei Platten durch Anlegen einer Spannung U (Batterie) Batterie

12 Grundbegriffe Das Elektronenvolt F = qe Elektron im elektrischen Feld Spannung = 1 V kinetische Energie nach durchlaufen der Spannung von 1 V = x10-19 J = 1 ev Batterie: U = 1 V

13 Grundbegriffe Bindungsenergien COOH Moleküle: wenige ev Atome: einige ev (äussere Hülle) bis viele kev (innere Hülle) Atomkerne: einige MeV

14 Physikalische Grundlagen Inhalt Grundbegriffe Erzeugung ionisierender Strahlung

15 Erzeugung von Strahlung Radioaktiver Zerfall Mutterkern instabil Zerfall instabiler Atomkerne Kernumwandlung Emission von Energie Energieabgabe durch Strahlung (α, β, γ) Tochterkern stabil oder instabil (Zerfallsketten) Tochterkern stabil

16 Erzeugung von Strahlung Röntgenstrahlung Nachrutschen eines Elektrons aus einer höheren Schale Energieabgabe durch Strahlung (Photonen) Andere Prozesse: Bremsstrahlung

17 Erzeugung von Strahlung Elektronenhülle 3d 3d 3d 3d 3d verschiedene Energieniveaus M 3p 3p 3p 3s n = 3 Schalen (K, L, M, ) Energie 2p 2p 2p 2s L n = 2 innerhalb Schalen verschiedene Orbitale 1s K n = 1

18 Erzeugung von Strahlung Anregung & Ionisation Energie 3d 3d 3p 2p 3s 2p 2s Ionisation Anregung Anregung: Auf Elektron übertragene Energie kleiner als Bindungs- Energie Ionisation: Auf Elektron übertragene Energie grösser als Bindungs- Energie 1s

19 Erzeugung von Strahlung Charakt. Strahlung Energie 2p 2p 2p 2s L K K α1 α2 n = 2 Übergang zwischen L- und K-Schale K α -Linien Übergang zwischen M- und K-Schale K β -Linien K1s n = 1

20 Erzeugung von Strahlung Prinzip Röntgenröhre Kathode Anode Hochspannung zwischen Kathode und Anode Photonen Austritt von Elektronen aus der Kathode und Beschleunigung Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial

21 Erzeugung von Strahlung Bremsstrahlung Ablenkung und Abbremsung von Elektronen beschleunigte Ladung Emission von Strahlung

22 Erzeugung von Strahlung Bremsberg Intensität Energie maximale Photonenenergie = kinetische Energie der Elektronen (q U) Energieabgabe in einem einzelnen Wechselwirkungsprozess unwahrscheinlich Absorption der niederenergetischen Photonen im Anodenmaterial

23 Erzeugung von Strahlung Röntgenspektrum Intensität Bremsberg charakteristische Strahlung Energie

24 Physikalische Grundlagen Inhalt Grundbegriffe Erzeugung ionisierender Strahlung Wechselwirkungen

25 Wechselwirkungen Wechselwirkungen F = qe E elektromagnetische Strahlung elektrisches Feld Kraftwirkung auf Hüllenelektron Energieübertragung auf Hüllenelektron

26 Wechselwirkungen Comptoneffekt E γ1 E kin Energieübertragung auf Hüllenelektron Hüllenelektron fliegt weg E γ2 Photon wird gestreut

27 Wechselwirkungen Comptoneffekt E γ1 E kin vorwiegend äussere Hüllenelektronen betroffen E γ2 wichtigster Streuprozess zwischen ca. 100 kev bis 2 MeV Bedeutung in der Diagnostik: Produziert Streustrahlung

28 Wechselwirkungen Streustrahlung b c 30 tiefe Energien (c): Viel Rückstreuung (a) 3 MeV (b) 200 kev (c) 10 kev a hohe Energien (a): Vorwärtsstreuung dominiert

29 Wechselwirkungen Streustrahlung Strahlenschutzproblem Einfluss auf Bildqualität

30 Wechselwirkungen Photoeffekt E γ1 Ekin Energieübertragung auf Hüllenelektron: ALLE Energie des Photons in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt Hüllenelektron fliegt weg KEIN gestreutes Photon

31 Wechselwirkungen Photoeffekt E γ1 vorwiegend innere Hüllenelektronen betroffen Ekin häufig bei tiefen Energien (unterhalb 100 kev) vorwiegend bei schweren Elementen: Calcium Knochenkontrast im Röntgenbild

32 Wechselwirkungen Paarbildung E γ1 Äquivalenz zwischen Energie und Masse (E = mc 2 ) e + Photonenenergie grösser MeV Elektron-Positron-Paar entsteht

33 Wechselwirkungen Absorption / Schwächung Schwächung stark bei schweren und dichten Materialien niedrigen Photonenenergien je dicker der Absorber, desto stärker die Schwächung

34 Wechselwirkungen Beer-Lambertsches Gesetz Anz. Photonen Halbwertschicht 2. Halbwertschicht Halbwertschicht 8 4. Halbwertschicht 4 2 Dicke x 1 konstante Schichtdicke, bei der 50% der Photonen absorbiert werden: Halbwertschicht nach 2 Halbwertsschichten ¼ der Strahlungsintensität exponentielle Abschwächung

35 Wechselwirkungen Absorptionskoeffizient μ Anz. Photonen N μ gross μ klein grosses μ kleine Halbwertschicht kleines μ grosse Halbwertschicht Dicke x N( x) = N e 0 μx

36 Wechselwirkungen Energieabhängigkeit μ/ρ [cm 2 /g] μ/ρ σ/ρ τ/ρ κ/ρ Eγ [MeV] bei tiefen Energien dominiert der Photoeffekt (τ/ρ) zwischen 100 kev und ca. 2 MeV dominiert der Comptoneffekt (σ/ρ) Paarbildung (κ/ρ) findet oberhalb MeV statt

37 Wechselwirkungen Energieabhängigkeit D(x)/Dmax 100% 1.2 MeV 200 kv 100 kv 50 kv 29 kv Tiefe x [cm] in Wasser Beer-Lambertsches Gesetz gilt nicht immer! Faustregel für Röntgenstrahlung unterhalb 150 kev: je höher die Photonenenergie, desto grösser die Durchdringungsfähigkeit

38 Physikalische Grundlagen Inhalt Grundbegriffe Erzeugung ionisierender Strahlung Wechselwirkungen Die Energiedosis

39 Die Energiedosis Definition Strahlungsenergie ΔE, die pro Masse Δm absorbiert wird. SI-Einheit: Joule / kg = Gy ΔE D = Δ m

40 Die Energiedosis Quadrat. Abstandsgesetz Abstand r D ( r) = D r 0 2

41 Physikalische Grundlagen Ende Grundbegriffe Erzeugung ionisierender Strahlung Wechselwirkungen Die Energiedosis

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