Physikalische Grundlagen der Röngtenstrahlen

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1 Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Physikalische Grundlagen der Röngtenstrahlen PD Dr. Frank Zöllner Computer Assisted Clinical Medicine Faculty of Medicine Mannheim University of Heidelberg Theodor-Kutzer-Ufer 1-3 D Mannheim, Germany PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 17 I Datum Physikalische Grundlagen - Röntgenstrahlen! Wellen! Was sind Röntgenstrahlen?! Welche physikalischen Eigenschaften haben sie?! Wie entstehen sie? PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 18 I Datum Seite 1 1

Mannheim, Germany Frank.Zoellner@MedMa.Uni-Heidelberg.de PD Dr. Ing Frank G.

2 Röntgenstrahlen Elektromagnetische Strahlen oder auch Wellen " Was sind Wellen? PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 19 I Datum Einschub: Wellen Welle Schwingungen die sich im Raum ausbreiten! Periodische Ausbreitung (klingender Ton)! Stoßwellen (Knall) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 20 I Datum Seite 2 2

Zöllner I Folie 19 I Datum Einschub: Wellen Welle Schwingungen die sich im

3 Einschub: Wellen λ Eigenschaften! Amplitude (A)! Wellenlänge (λ)! Wellenzahl ( 1/λ) A! Ausbreitungsgeschwindi g-keit (c)! Frequenz (ν) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 21 I Datum Einschub: Wellen (II)! Mechanische Wellen (gebunden an ein Medium) # Longitudinalwellen Schwingung erfolgt parallel zur Ausbreitungsrichtung # Transversalwellen Schwingung erfolgt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 22 I Datum Seite 3 3

Zöllner I Folie 21 I Datum Einschub: Wellen (II)!

4 Einschub: Wellen (III)! Wellen im Vakuum (ohne Medium) # elektromagnetische Wellen Röntgenstrahlung Gammastrahlung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 23 I Datum Diagnostic Imaging: Electromagnetic Wave nuclear medicine / PET 100keV 10keV Hz Hz X-ray / CT imaging X-ray PET and MRI are at the end of the spectrum Hz ionizing Hz Ultraviolet OCT Visible Infrared Hz Hz Hz Hz Hz Hz non-ionizing NIRF Frequency THz Gap gap terahertz pulse imaging (TPI) TV satellite dish different energies PD means Dr. Ing Frank G. different Zöllner I Folie 24 interaction I Datum with tissue Micro- Millimeter wave and RF magnetic resonance imaging MRI Seite 4 4

of the spectrum 10 17 Hz ionizing 10 16 Hz Ultraviolet OCT Visible Infrared 10 15 Hz 10 14 Hz 10 13 Hz 10 12 Hz 10 11 Hz 10 10 Hz non-ionizing NIRF Frequency THz Gap gap

5 Zusammenfassung! Wellen charakterisiert durch Frequenz und Wellenlänge! Transversale und longitudinale! mediumgebundene und nicht-gebundene Wellen! Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 25 I Datum Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Entstehung der Röntgenstrahlen PD Dr. Frank Zöllner Computer Assisted Clinical Medicine Faculty of Medicine Mannheim University of Heidelberg Theodor-Kutzer-Ufer 1-3 D Mannheim, Germany Frank.Zoellner@MedMa.Uni-Heidelberg.de PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 26 I Datum Seite 5 5

Zöllner I Folie 25 I Datum Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Entstehung der Röntgenstrahlen PD Dr.

6 Übersicht! Grundlagen Atome und Elektronen! Generierung von Röntgenstrahlen! Bremsstrahlen und Grenzwellenlänge! Charakteristische Röngtenstrahlen! Energie der Röngtenstrahlen PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 27 I Datum Grundlagen Atome und Elektronen! Bestandteile: # Atomkern (Protonen + Neutronen) # Elektronen! einfaches Modell: Kugel oder Schalenmodell (Bohr)! heutiges Modell: Orbitalmodell PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 28 I Datum Seite 6 6

Zöllner I Folie 27 I Datum Grundlagen Atome und Elektronen!

7 Grundlagen Atome und Elektronen! Bestandteile: # Atomkern (Protonen + Neutronen) # Elektronen! einfaches Modell: Kugel oder Schalenmodell (Bohr)! heutiges Modell: Orbitalmodell PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 29 I Datum Wichtige Einheiten bzgl. Atome! Ordnungszahl (Z) # Anzahl der Protonen im Kern! Isotope (A) # Entspricht der Massezahl (Neutronen + Protonen) # Alle Isotope haben die gleiche Ordnungszahl! Elektronenschale(n) oder ~hülle(n) # sind mit Elektronen besetzt # Anzahl Elektronen i. A. gleich der Ordnungszahl (neutrale Ladung) # Ionen von Z unterschiedliche Anzahl Elektronen PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 30 I Datum Seite 7 7

Isotope (A) # Entspricht der Massezahl (Neutronen + Protonen) # Alle Isotope haben die gleiche Ordnungszahl!

8 Beispiele PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 31 I Datum Zusammenfassung! Atome setzten sich aus Kern und Elektronenhülle zusammen! Ladung i. A. neutral (gleiche Anzahl Elektronen und Protonen)! Ordnungszahl = Anzahl der Protonen! Ionen entstehen, wenn Elektronenzahl verändert wird PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 32 I Datum Seite 8 8

neutral (gleiche Anzahl Elektronen und Protonen)! Ordnungszahl = Anzahl der Protonen!

9 Röntgenstrahlen - Historie PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 34 I Datum Röntgenstrahlen! Energiereiche (schnelle) Elektronen # prallen auf ein Hindernis # werden gebremst! Umwandlung von kinetischer Energie in elektromagnetische Strahlungsenergie! Es entstehen: # Bremsstrahlung # Charakteristische Röntgenstrahlung # Wärme (99%) - Pol Brennfleck + Pol Laubenberger and Laubenberger. Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 35 I Datum Seite 9 9

Umwandlung von kinetischer Energie in elektromagnetische Strahlungsenergie!

10 Edison-Richardson-Effekt (Glühemission)! Elektronen in einem Metalldraht bewegen sich! überwinden Austrittsarbeit des Metalles! Bilden um die Glühkathode im Vakuum Raumladungswolke aus! laden Elektroden in der Nähe der Kathode auf PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 36 I Datum Bremsstrahlung! Entstehen beim Aufprall auf die Brennfläche (Anode/ Brennfleck) # Umsatz von kinet. Energie in Bremsstrahlung # Ablenkung der Kathodeelektronen durch Atomkerne der Anode # Umsetzung abhängig vom Abstand zum Kern Atomkern (Anode) Roentgen-Bremsstrahlung Flugbahn des Elektrons Laubenberger and Laubenberger. Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 37 I Datum Seite 10 10

Entstehen beim Aufprall auf die Brennfläche (Anode/ Brennfleck) # Umsatz von kinet.

11 Bremsstrahlenspektrum! Spektrum von Bremsstrahlen # viele verschiedene Wellenlängen # abhängig von der Röhrenspannung # Anodenmaterial mit hoher Ordnungszahl erhöht die Ausbeute an Bremsstrahlen Schaaffs. Handbuch der Physik, Springer 1957 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 38 I Datum Röntgenstrahlen! Ausbreitungsgeschwindigkeit # km/s (Lichtgeschwindigkeit) # konstant für alle elektromagnetischen Wellen " nur Frequenz und Wellenlänge beschreiben Form der Welle " Spannung der Röntgenröhre bestimmt die kinetische Energie der Kathodenelektronen 5-20 kv Überweiche Strahlung kv Weiche Strahlung kv Mittelharte Strahlung kv Harte Strahlung (Röntgen & Gamma Strahlung) kv Diagnostische Strahlung > 250 kv Ultraharte Strahlung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 39 I Datum Seite 11 11

Handbuch der Physik, Springer 1957 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 38 I Datum Röntgenstrahlen! Ausbreitungsgeschwindigkeit # 300.

12 Röntgenstrahlen! Energie (E) eines Röntgenstrahls # keine kontinuierliche Strahlung # Gemessen in Elektronenvolt (ev) Einzelne Röntgenstrahlen werden auch als Röntgenquant bezeichnet # typische Strahlenenergien in der Röntgendiagnostik / Elektronenvolt : kinetische Energie Strahlentherapie: eines Elektrons mit Ladung 1, das sich bei einer Potentialdifferenz von 1 1 kev / 1 MeV Volt im Vakuum bewegt. PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 40 I Datum Anodenspannung und Frequenz/Wellenlänge! Bremsstrahlenspektrum nicht gleichmäßig verteilt! abhängig von der Anodenspannung (U A )! maximale Frequenz und somit minimale Wellenlänge gegeben der Spannung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 41 I Datum Seite 12 12

Strahlenenergien in der Röntgendiagnostik / Elektronenvolt : kinetische Energie Strahlentherapie: eines Elektrons mit Ladung 1, das sich bei einer Potentialdifferenz von 1 1 kev

13 Grenzwellenlänge! kürzeste auftretende Wellenlänge! Elektron gibt gesamte Energie ab! in einem einzigen Prozess PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 42 I Datum Bremsstrahlung Je höher die Spannung U: # desto niedriger ist die Grenzwellenlänge, # desto höher die Frequenz # desto energiereicher die Röntgenstrahlung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 43 I Datum Seite 13 13

Zöllner I Folie 42 I Datum Bremsstrahlung Je höher die Spannung U: # desto niedriger ist die

14 Charakteristische Röntgenstahlung! besteht aus best. Wellenlängen # charakteristisch für Anodenmaterial! Zusammenstoß des Kathodenelektrons mit Elektron des Anodenatoms # Anodenelektron wird herausgeschleudert # Platz wird von anderem Elektron eingenommen # entstehen sog. Eigenstrahlen Dössel. Bildgebende Verfahren in der Medizin 2000 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 44 I Datum L α Charakteristische Röntgenstrahlen! entstehende Strahlen werden auch als Spektrallinien bezeichnet! Benennung gemäß # der Schichten aus der ein Elektron fehlt (K,L,M, ) # der Schicht, die ein Elektron abgibt (α,β,γ, )! Spektrallinien steiler Peak/ Linie im Bremsspektrum PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 45 I Datum Seite 14 14

de/pr-info/roentgen-light/roentgenstrahlung/roentgenstrahlung7b.html Dössel. Bildgebende Verfahren in der Medizin 2000 PD Dr. Ing Frank G.

15 Beispiel Bremsspektrum mit Spektrallinien PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 46 I Datum Bremsstrahlenspektrum! Welche Grenzwellenlänge erhält man bei einer Röhrenspannung von 40 kv?! Welche Energie (kev) haben Röntgenstrahlen maximal bei einer Röhrenspannung von 40 kv? PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 47 I Datum Seite 15 15

Welche Grenzwellenlänge erhält man bei einer Röhrenspannung von 40 kv?

16 Zusammenfassung Röntgenstrahlen! entstehen durch Abbremsung von Kathodenelektronen # Bremsstrahlung # Charakteristische Röntgenstrahlen # Wärme! Röhrenspannung # beeinflusst die Beschleuningung der Elektronen # Ablenkung der Elektronen an der Anode! Bremstrahlenspektrum # Grenzwellenlänge, energiereichste Strahlen mit kleinster Wellenlänge! Eigenstrahlung # Entsteht aus Shoot-out von Anodenelektronen # charakterisiert das Anodenmaterial PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 48 I Datum Seite 16 16

Röhrenspannung # beeinflusst die Beschleuningung der Elektronen # Ablenkung der Elektronen an der Anode!

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