Protokoll 1. Aufgabenstellung: Es werden eine Szintillationsmeßsonde, verbunden mit einem Kernstrahlungsmessplatz verwendet. Zwischen eine Strahlenquelle (z.b.: Tc-99m, Ba- 133 oder Cs- 137) und den Detektor werden verschiedene Absorber gebracht. Als Absorber werden verwendet: Paraffin, Holz, Mauerstein, Eisen und Blei. Nach der Messung der Impulsraten unter Verwendung des einen Strahlers, wird ein neuer Strahler mit einer anderen Energie eingesetzt und mit den gleichen Absorbern die Messung wiederholt. Messen Sie die Impulsraten, die Sie in Luft und mit den Absorbern erhalten. Denken Sie hierbei an die Zählstatistik und wählen Sie die Impulsraten, die etwa den gleichen relativen statistischen Fehler ergeben! Bestimmen Sie die Halbwertschichtdicken der einzelnen Stoffe und sagen Sie etwas über die Energieabhängigkeit der Absorption aus. 2. Durchführung: Zur Durchführung des Versuchs benötigt man einen Einlochkollimator in Verbindung mit einem Kernstrahlungsmessplatz, eine Cs- 137- Quelle und einen Ba- 133- Strahler, zwei Bleibausteine und verschiedene Absorber (Blei, Paraffin, Eisen, Holz und Mauerstein. Gegenüber der Öffnung des Einlochkollimators wird eine Cs- 137- Quelle zwischen zwei Bleibausteinen, etwas erhöht, positioniert. Man misst nun jeweils eine Minute lang die Impulszahlen ohne Absorber, mit einem und zwei Mauersteinen, mit einem und zwei Holzbrettern, mit einem, zwei und drei Bleiblechplatten, sowie ein und zwei Paraffinblöcken und ein und zwei Eisenblöcken im Strahlengang. Der versuch wird nun mit Ba- 133 wiederholt. Dabei wird der Abstand zwischen Strahlenquelle und Detektor so klein wie möglich gewählt um die Impulszahl zu erhöhen und so den prozentualen statistischen Fehler so klein wie möglich zu halten. Dabei ist zu beachten die Versuchsbedingungen während des Versuchs nicht zu verändern. Zudem werden die Dicken der Absorber gemessen, da man diese Werte für die Auswertung benötigt. Die Impulszahlen werden notiert und in halblogarithmischen Papier eingetragen. Graphisch können nun die Halbwertschichtdicken der einzelnen Absorber ermittelt werden. Ausserdem lassen sich Aussagen darüber treffen wie sich die Änderung der Energie der Strahler auf die Absorption auswirkt.
3. Auswertung: Cs- 137 Energie: 662 kev Absorber Dicke Impulse/ min Anteil der Absorption kein/ Luft - 10805 - - 2 Mauersteine 1 Mauerstein 14 cm 7 cm 3678 5650 8,2 cm 65,96 % 47, 71 % 3 Bleibleche 2 Bleibleche 1 Bleiblech 5 mm 2 mm 1mm 5009 7431 8488 4 mm 53, 64 % 31, 23 % 21, 44 % 2 Holz 1 Holz 1, 5 cm 9847 10231 > 19 cm 8, 87 % 5, 31 % 2 Paraffin 1 Paraffin 6, 5 cm 7659 8767 11, 2 cm 29, 12 % 18, 86 % 2 Eisen 1 Eisen 1 cm 0, 5 cm 6333 8205 1, 41, 39 % 24, 06 % Ba- 133 Energie: 356 kev Absorber Dicke Impulse/ min Halbwertschichtdicke Halbwertschichtdicke kein/ Luft - 19090 - - Anteil der Absorption 2 Mauersteine 1 Mauerstein 14 cm 7 cm 1912 3828 3, 8 cm 90, 00 % 79, 95 % 3 Bleibleche 2 Bleibleche 1 Bleiblech 5 mm 2 mm 1mm 1540 3564 5314 1, 2 mm 91, 93 % 81, 33 % 72, 16 % 2 Holz 1 Holz 1, 5 cm 14768 16175 6, 6 cm 22, 64 % 15, 27 % 2 Paraffin 1 Paraffin 6, 5 cm 8327 1545 2, 5 cm 56, 38 % 91, 91 % 2 Eisen 1 Eisen 1 cm 0, 5 cm 3905 5899 0, 4 cm 79, 55 % 69, 10 % Dichte der einzelnen Absorbermaterialien Absorber Dichte Mauerstein Bleiblech Holz Paraffin Eisen 1, 4 g/ cm³ 11, 3 g/ cm³ 0, 7 g/ cm³ 0, 9 g/ cm³ 7, 9 g/ cm³
4. Auswertung: Im Versuch wurden die Impulszahlen von 2 verschiedenen Strahlenquellen ( Cs- 137 und Ba- 133) mit und ohne Absorber ermittelt. Dabei war darauf zu achten das die Impulszahlen möglichst groß sind um einen möglichst kleinen prozentualen statistischen Fehler und damit repräsentative Werte zu erhalten. Zur Vergrößerung der Impulszahlen wurde die Abstand zwischen Strahenquelle und Detektor so klein wie möglich gemacht. Dabei war darauf zu achten das zwischen Strahlenquelle und Detektor immer noch der dickste Absorber (Mauerstein) passt, denn die Versuchsbedingungen durften während des Versuchs nicht verändert werden. Weiterhin wurde der Absorber so nah wie möglich an den Detektor gestellt, damit soviel Streustrahlung wie möglich auf den Detektor trifft. Dieser Versuch beschäftigt sich mit der Absorption. Unter Absorption versteht man die Schwächung einer durch Materie gehenden Strahlung. Hinter dem Absorber registrierte der Einlochkollimator also die Strahlung die entweder ungeschwächt durch den Absorber durchgegangen ist und die Strahlung, die im Absorber gestreut wurde. Zu den Vorgängen, bei denen es zur Absorption kommt, gehören die Anregung, der Photoeffekt, der Comptoneffekt und der Paarbildungseffekt. Im Versuch wurde mit Cäsium- 137 und mit Barium- 133 gearbeitet. Cäsium- 137 ist mit 662 kev der energiereichere Strahler gegenüber Barium- 133 mit 356 kev. Beide Energien liegen zwischen 100 und 1000 kev und damit im Wirkungsbereich des Comptoneffekts, welcher im Versuch vorherrschend war. Bei der Comptonstreuung trifft ein Gammaquant auf ein Hüllenelektron. Dabei gibt es an das Elektron soviel Energie ab, wie es braucht um die Bindungsenergie an das Atom überwinden zu können. Das Elektron kann den Atomverband verlassen, der Gammaquant bewegt sich geschwächt und mit Richtungsänderung weiter. Der Vorgang der Absorption beruht auf dem sog. Schwächungs- bzw. Absorptionsgesetz, welches lautet: - x d I(d)= I0 x e I(d)= Strahlungsintensität gemessen hinter einem Absorber I0= Intensität der Strahlung gemessen frei in Luft e= Eulersche Zahl = linearer Schwächungskoeffizient in 1/cm bzw. Masseabsorptionskoeffizient in g/ cm² d= Schichtdicke - beschreibt die exponentielle Abnahme Dabei bestimmt der lineare Schwächungskoeffizient wie stark die Strahlung im Absorber geschwächt wird. Er ist abhängig von der Dichte und Dicke des Absorbermaterials, aber auch von der Energie eines Strahlers. Grundsätzlich gilt das die Absorption bei einem energiearmen Strahler größer als bei einer energiereichen Strahlenquelle ist. Das in diesem Versuch bezieht sich also auf den Energiebereich von 100-1000 kev und damit auch auf den Comptoneffekt. ist der Quotient aus ln2 und der Halbwertschichtdicke (HWSD). Die Halbwertschichtdicke ist die Schichtdicke eines Materials, nach deren Durchstrahlung sich die Intensität auf den halben Wert ihrer Ausgangsintensität verringert hat. Auch die
Halbwertschichtdicke ist von der Energie der Gammaquanten und dem Absorbermaterial abhängig. In diesem Versuch sollten die Halbwertschichtdicken von Mauerstein, Bleiblech, Holz, Paraffin und Eisen graphisch ermittelt werden. Dabei konnte bewiesen werden das die HWSD abnimmt wenn die Dichte des Absorbermaterials zunimmt. Somit lies sich an den Ergebnissen erkennen das Blei mit einer Dichte von 11, 3 g/ cm³ die kleinste HWSD besitzt. Sie beträgt bei Cs- 137 4mm und bei Ba- 133 1,2mm. Holz hat mit 0,7 g/ cm³ die kleinste Dichte und somit die größte HWSD. Sie lag im Versuch weit über 19 cm. Weiterhin sollte untersucht werden welchen Einfluss die Energien der Strahler auf die Absorption haben. Im Versuch war deutlich zu erkennen das sich die HWSD pro Absorbermaterial minimieren wenn die Energien abnehmen. Während Paraffin bei der energiereichen Cs- 137- Strahlenquelle eine HWSD von 11, 2 cm besaß, so lag die HWSD bei Ba- 133 nur noch bei 2, 5 cm. Um die gleiche Dosis zu erzeugen braucht man bei einem energiereichen Strahler also mehr absorbierendes Material im Strahlengang. Dementsprechend erhöht sich die HWSD. Gleichzeitig verringert sich bei einem energiereichen Strahler, bei gleichem Absorbermaterial, der Anteil der Absorption. Während der Mauerstein bei Ba- 133 einen Absorptionsanteil von 79, 95% besaß, so lag der Anteil der Absorption bei Cs- 137 nur noch bei 47, 71%. Je kleiner die Energie der Strahlenquelle desto mehr Absorption findet also statt. Vergleicht man alle Ergebnisse im Hinblick auf die ermittelten HWSD bei ein und derselben Energie, so lässt sich zusammenfassend sagen das der Anteil der Absoption steigt wenn die Dichte und/ oder die Dicke des Absorbermaterials zunehmen. Vergleicht man die Absorptionsanteile bei Ba- 133 und Cs- 137, bei einem und demselben Absorbermaterial, so kann man erkennen das die Absorptionsanteile größer werden, wenn die Energie der Strahlenquelle abnimmt. 5. Schlußfolgerung: Die Absorption hat in der Praxis eine große Bedeutung. Die Tatsache das Absorption stattfindet muss vor allem in der Bildgebung beachtet werden. Wenn man berücksichtigt, wie viel Strahlung im Patienten geschwächt wird oder gar nicht bildwirksam wird, dann weiß man, wie viel Aktivität dem Patienten appliziert werden muss um qualitativ hochwertige szintigrafische Darstellungen zu erhalten. Weiterhin bestimmt der Anteil der Absorption die Aufnahmezeit, jedoch kann auch diese mit einer höheren Aktivität (cave: Strahlenschutz) verkürzt werden, um so der Absorption entgegenzuwirken und trotzdem eine ausreichend hohe Impulszahl zu erhalten. Weiterhin kann mit der Absorption begründet werden, warum Gegenstände, andere Körperteile und dicke Kleidung im Bereich des darzustellenden Organs entfernt werden sollten (z.b. linken Arm über den Kopf nehmen lassen um das Herz darzustellen oder Gürtel abnehmen lassen um die Nieren abzubilden). Zudem muss man bachten das dicke Organe mehr Strahlung absorbieren, als kleine, dünne Organe. Somit muss man bei einer stark vergrößten Schilddrüse mehr Aktivität applizieren als bei einer normal großen Schilddrüse um am Ende in etwa die gleichen Impulszahlen und somit vergleichbar, gute Aufnahmen zu erhalten. Ausserdem muss die Absorption im Hinblick auf den Strahlenschutz betrachtet werden. Der Anteil der Absorption ist ein Richtwert dafür, wie dick Abschirmungen, Bleieimer, Bleiburgen und Bleieinlagen in den Türen sein sollten um den Strahlenschutz für das personal zu gewährleisten. Selbst die Tatsache das wir zur Abschirmung Blei nutzen beruht auf dem Hintergrund das Blei eine hohe Dichte besitzt, was den Absorptionsanteil steigert. Da auch in Luft absorbiert wird, muss im Hinblick auf die
Absorption auch das Abstandsquadratgesetz beachtet werden. Bei doppelter Entfernung von der Strahlenquelle reduziert sich die Strahlenexposition auf ein Viertel. Die Absorption hat also nicht nur grundlegende Bedeutung in der Radiologischen Diagnostik, sondern auch in der Nuklearmedizin.