Physik AB Röntgenröhre

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1 AB Röntgenröhre - An der Glühkathode werden Elektronen emittiert, die über eine Hilfselektrode gebündelt und zur Anode hin beschleunigt werden. Die Beschleunigungsspannung beträgt bei medizinischen Geräten zwischen ca bis V. Treffen die sehr schnellen Elektronen auf die Anode, die aus verschiedenen Materialien bestehen kann, geben diese Ladungsträger ihre Bewegungsenergie als Röntgenstrahlung und Wärme ab. Diese Wärme muss abgeführt werden, was über eine Wasserkühlung erfolgen kann. (Eine kleine Röntgenröhre hat eine Wärmeleistung, die einer Herdplatte entsprechen kann.) Aufgabe: Ordnen Sie die fett gedruckten Begriffe dem nebenstehenden Bild zu. Röntgenspektrum: 1: Spektrum einer Röntgenröhre mit Cu-Anode 2: 3+4: 5-8: Charakteristische Merkmale der Messmethode. AB-6-01-Röntgenstrahlung.doc

2 AB Absorption von Röntgenstrahlung 10 6 Kohlenstoff (Z = N = 6) Absorption , Photoenergie in kev Hinweis: Kohärente Streuung: Wichtig bei röntgenographischen Verfahren ist die kohärente Streuung. Das bedeutet, ein Objekt (Atom) wird von der Röntgenstrahlung getroffen und zum Schwingen angeregt und emittiert Strahlung, deren Wellenlänge identisch ist mit der einfallenden Strahlung (Gegenteil wäre inkohärente Streuung). Absorptionskante: Anregung des Kohlenstoffs auf der K-Schale. Photoeffekt: Treffen Photonen auf Materie und dringen in sie ein, so geben sie ihre Energie an Atome ab. Die absorbierte Energie regt Atome dazu an, Elektronen freizusetzen. Diese freien Elektronen haben noch Bewegungsenergie, wenn die Freisetzungsenergie kleiner ist als die Energie des Photons. Ionisiert, schadet biologischem Material! Comptoneffekt: Seit Einstein wissen wir, dass man einem Photon eine Masse zuordnen kann. Energiereiche haben eine größere Masse als energiearme Photonen. Stößt ein Photon auf ein freies Elektron, so kann es zur Impuls-Wechselwirkung kommen, wie bei einer schnellen Billard-Kugel, die auf eine ruhende Kugel trifft. Das Photon wird gestreut, gibt dabei Energie ab (es ändert seine Wellenlänge) und das Elektron erhält Bewegungsenergie, die es bis nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann. Paarbildung: Unter Paarbildung (auch Paarerzeugung genannt) versteht man die Bildung eines Teilchen-Antiteilchen- Paares aus einem energiereichen Photon. Die Energie des Photons muss dabei mindestens der Summe der Ruheenergien der zu erzeugenden Teilchen entsprechen. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung eines Elektron-Positron-Paares durch die Wechselwirkung eines Photons mit dem elektrischen Feld eines Atomkerns, wodurch fast die gesamte Energie des Photons umgewandelt wird in die Ruhemasse der beiden Teilchen und ihre kinetische Energie. AB-6-02-X-Ray-Absorption.doc

3 AB Strahlenmessung Ionisationskammer Tritt Strahlung in das Innere einer Ionisationskammer, werden Ionen erzeugt und die Luft zwischen den beiden Kondensatorplatten in der Ionisationskammer wird dadurch leitend. Die Ionen wandern an die negative und die Elektronen (oder auch negativen Ionen) an die positive Kondensatorplatte. Die Spannung zwischen den beiden Platten wird gerade so groß gewählt, dass einerseits die Ionen und Elektronen nicht mehr rekombinieren können, andererseits aber die Beschleunigung zu den Elektroden nicht so stark ist, dass durch Zusammenstöße mit den Luftmolekülen weitere Ionisationen ausgelöst werden. Der gemessene Strom ist dann der Anzahl der primär erzeugten Ionen bzw. Elektronen proportional. Die Wanddicke der Ionisationskammer muss der Strahlenart angepasst sein. Ionendosis = erzeugte Ladung Masse der durchstrahlten Luft Q I = m 3 1A 1s 1C 10 C I in = = 1kg 1kg 1g Die Ionendosis I gibt die erzeugte Ladungsmenge Q pro Masse m der durchstrahlten Luft an (bei der Temperatur von t = 0 C und dem Luftdruck p = 1013hPa). Wenn in 1kg Luft durch ionisierende Strahlen so viele Ionen bzw. freie Elektronen erzeugt werden, dass im angeschlossenen Leiterkreis 1 Sekunde lang ein Strom von 1 A fließt, beträgt die Ionendosis 1C/kg. absorb. Strahlungsenergie Energiedosis = Die von einem Stoff aufgenommene Energie kann Masse ebenfalls als Maß für die physikalische Strahlenwirkung verwendet werden. Dafür ist die Energiedosis D definiert worden. W D = m Die Energiedosis einer ionisierenden Strahlung 1J gibt die pro Masse m eines durchstrahlten Stoffes 1Gy = absorbierte Energie E an. 1kg Die Energiedosis wird in Gray (Gy) angegeben. Ionisierende Strahlen können nur dann eine biologische Wirkung hervorrufen, wenn vom bestrahl- Äquivalentdosis = Energiedosis Qualitästfaktor ten Objekt Energie aufgenommen worden ist. H = D Q in Sv Dabei gilt: Je größer die Energieaufnahme, desto größer ist auch die Wirkung. Mit der Energiedosis allein kann jedoch die biologische Strahlenwirkung nicht beurteilt werden. Die verschiedenen Strahlenarten haben unterschiedliche biologische Wirkung. Dies wird durch den Qualitätsfaktor Q berücksichtigt und man gibt die schädigende Wirkung mit der Äquivalentdosis H, die in Sievert (Sv) gemessen wird, an. Einzelne Organe und Gewebe werden durch die Strahlung unterschiedlich geschädigt. Dies berücksichtigt man mit dem Wichtungsfaktor. AB-6-03-Ionisationskammer.doc

4 Zählrohr Ionisationskammern können auch als Zählrohre aufgebaut werden. Ionen, die im Inneren des Rohres durch Strahlung entstanden sind, werden durch die Spannung so stark beschleunigt, dass lawinenartig weitere Ionisationen entstehen. Dadurch kommt ein messbarer Stromstoß zustande, der am Widerstand einen Spannungsabfall verursacht. Er wird elektronisch weiter verarbeitet und durch ein Zählgerät registriert. Solange im Zählrohr eine Entladung stattfindet, kann kein weiteres Teilchen registriert werden (Totzeit < 10-4 s). Die Anzahl der Stromimpulse, die mit dem Zählrohr registiert werden, wird Impulsrate genannt. Der GMZ hat eine Ansprechwahrscheinlichkeit von ca. 0,1%. Es gibt auch Flächen- und Ganzkörperdurchflusszähler. AB Sabdosimeter Nach dem Prinzip der Ionisationskammer arbeiten auch die Stabdosimeter, die zum Schutz von Personen eingesetzt werden. Es ist ein füllhalterähnliches Messgerät, in dem sich ein Elektrometer (Elektroskop) befindet. Man lädt es an einer Spannungsquelle auf und auf einer durchsichtigen Skala wird dann der Wert angezeigt. Filmdosimeter Filmdosimeter (in der Regel als amtliche Dosimeter verwendet) bestehen aus einer dünnen, lichtdichten Kunststoffkassette, in der sich zwei Filmabschnitte befinden. In der Kassette sind außerdem einige Metallfilter untergebracht. Die Gammastrahlung, die in das Innere gelangt, ruft eine Schwärzung des Films hervor. An ihr lässt sich die erhaltene Strahlendosis ermitteln. Die an der Vorder- und Rückseite versetzt angeordneten Bleifilter ermöglichen es festzustellen, aus welcher Richtung die Strahlung gekommen ist. Kam sie von hinten, dann hat sie den menschlichen Körper vollkommen durchdrungen. AB-6-04-Dosimeter.doc

5 AB Spektroskopie Zur Bestimmung der Gammaenergie kann man z.b. einen Szintillationszähler oder Halbleiterdetektor verwenden. Durch die Analyse des Spektrums kann man auf die Herkunft der Strahlung schließen. Jeder Kernprozess emittiert spezifische Gammaquanten. Halbleiterdetektor Er besteht im Prinzip aus einer Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird. Dringt ein Gamma- oder auch Röntgenquant in die Sperrschicht, werden in ihr Elektronen-Loch- Paare erzeugt. Jedes Quant erzeugt einen Spannungsimpuls, der gezählt werden kann. Die Amplitude des Spannungsimpulses ist proportional zur Energie, die das Quant an das Halbleitermaterial abgeben kann. Szintillationszähler Der Szintillationszähler besteht aus dem eigentlichen Szintillationskristall (L), in dem die Energie der Röntgen- oder Gamma-Quanten zum Teil in niederenergiereiche Lichtquanten umgesetzt wird. Diese lösen in der Photokathode (K) des Multipliers Elektronen aus, die im elektrischen Feld zwischen Kathode und 1. Dynode (D 1 ) Sekundärelektronen auslösen, welche zur 2. Dynode (D 2 ) hin beschleunigt werden und dort weiter Elektronen auslösen. Bei einem 10-stufigen Dynodensystem beträgt die Elektronenvervielfachung 10 6 bis Die zeitliche Auflösung beträgt 10-6 bis 10-8 s. Es werden nahezu 100% der eintreffenden Quanten erfasst. Die Größe des Stromimpulses entspricht der Energie des einfallenden Quants (Photolinie). Neben dem o.g. Photoeffekt kommt es auch im Kristall zum Comptoneffekt, der das Ergebnis beeinflusst. AB-6-05-Spektroskopie.doc

6 AB Alphastrahler Die beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen ausgesandten Heliumkerne werden Alphastrahlen genannt. Die kinetische Energie, mit der die Alphateilchen emittiert werden, beträgt ca. 5MeV. Aus 226 Radium kann über einen Alphazerfall 222 Radon entstehen. Zerfallsreihen kann man mit Hilfe einer Nuklidkarte erstellen. Im Umwandlungsschema kann man die typischen Zerfallsprozesse übersichtlich darstellen. Wie man erkennt, gibt es zwei Wege, zum Übergang des 226 Ra zum 222 Rn. Hat das ausgesandte Alphateilchen die Maximalenergie erhalten, ist der Kern in den Grundzustand übergegangen. Ist die Energie des Alphateilchens kleiner, befindet sich der Kern noch in einem angeregten (metastabilen) Zustand. Die restliche Energie des angeregten Kerns wird in Form eines Gammaquants abgegeben. Betazerfall: Beta- und Gammastrahlung 137 Cäsium zerfällt unter Aussendung von schnellen Elektronen mit der Energie von 1,174MeV in das stabile 137 Barium. Eine solche Strahlung nennt man Betastrahlung. Weit häufiger (ca. 95%) ist aber der Weg über den matastabilen Zustand des 137m Ba, bei dem Gammastrahlung von 662keV emittiert wird. Diese γ-strahlung ist eine elektromagnetische Welle (γ-quanten). 137 Cs (30,2a) 137m Ba (2,6m) 137 Ba (stabil) AB-6-06-Radioaktivität.doc

7 AB Gammaspektren

8 AB-6-07-Gammaspektrum.doc

9 AB Halbwertszeit Bei Kernprozessen wandeln sich Atomkerne eines Elementes in Kerne eines anderen um. Unter der Halbwertszeit T 1/2 versteht man diejenige Zeit, nach der von anfangs N(0) unzerfallenen Kernen noch 1 / 2 N(0) Kerne unzerfallen sind. Durch langsame Neutronen kann man Silber aktivieren. Es entstehen zwei Silberisotope. Beide zerfallen in stabile Cadmiumisotope. Auf Grund der speziellen Silberanregung in der Neutronenquelle entstehen hauptsächlich 110 Ag-Isotope. Diese sollen nun betrachtet werden. Gesetz des radioaktiven Zerfalls N(t) = N 0 e Ag 108 Cd + 48 Ag 110 Cd + 48 λt e e + ν + ν Problem: Es soll die Halbwertszeit des Silberisotops 110 Ag bestimmt werden. Hierzu werden die radioaktiven Zerfälle pro Sekunde in Abhängigkeit von der Zeit mit einem Geiger-Müller- Zählrohr messtechnisch erfasst und sind in der Messwerttabelle aufgeführt. Messwerte: t / s Imp/s Auswertung: Darstellung des radioaktiven Zerfalls des künstlich aktivierten Silbers in Abhängigkeit von der Zeit Aufgabe: 1. Ermitteln Sie die Halbwertszeit T 1/2 aus dem Diagramm (graphisch). 2. Bestimmen Sie aus den Messwerten die Zerfallskonstante λ. Ergebnis: Halbwertszeit des Silberisotops 110 Ag: Zerfallskonstante : t 1/2 = λ = AB-6-08-Halbwertszeit.doc

10 AB Halbwertsdicke, linearer Absorptionskoeffizient µ Bei monochromatischem Röntgenlicht und bei γ- Strahlung mit einer definierten Quantenenergie gilt das lineare Absorptionsgesetz, denn die Absorption ist von der Energie der Strahlung abhängig. Bei einer Messung des Absorptionskoeffizienten µ für Röntgenstrahlung ergibt sich bei der Photonenenergie von E 60 = 60 kev ein µ = 0,5 mm -1 und bei E 10 = 10 kev ein µ = 1,5 mm -1. N ( d ) = N e µ d N 0 = Impulsrate ohne Absorber N(d) = Impulsrate nach dem Absorber mit der Dicke d d = Absorberdicke µ = Absorptionskoeffizient 0 Aufgabe: Stellen Sie für beide Energien die Funktion N(d) graphisch dar. Bestimmen Sie für beide Funktionen die Halb- und Zehntelwertsdicke und überprüfen Sie Ihre Werte im Diagramm. Absorption Impulse Ergebnis: ,5 1 1,5 2 2,5 Absorberdicke d in mm AB-6-09-Halbwertsdicke.doc