2014. Röntgen sugárzás keltése: Röntgen katódsugárcső. Röntgensugárzás keletkezése Tulajdonságok Anyaggal való kölcsönhatás

9/21/2014

Hand mit Ringen: print of Wilhelm Röntgen's first "medical" x-ray, of his wife's hand, taken on 22 December 1895 and presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1 January 1896

Röntgensugárzás • • •

Röntgensugárzás keletkezése Tulajdonságok Anyaggal való kölcsönhatás Röntgen sugárzás = X-ray (angol) Orbán József, Biofizikai Intézet, 2014. szeptember http://en.wikipedia.org/wiki/X-ray

Energia 1 eV = 1,6*10-19 J

Wilhelm Conrad Röntgen; 1895

Hullámhossz

(1845-1923, fizikai Nobel-díj: 1901.) katódsugárcsőből kilépő sugárzás: • Hatására a sókristály fluoreszkál, • Elektromos és mágneses mezővel nem téríthető el. • Különböző anyagokban különböző mértékben nyelődik el.

Frekvencia

E= hn = hf Röntgen

UV

IR

c= ln = lf

g és X

• Ismeretlen forrása miatt X-sugárzásnak (X-ray) nevezte el.

Jellemző folyamat

Sugárzás hullámhossza: 0,01-10 nm (10-11-10-8 m) Sugárzás energiája: 0,1-100 keV (~

10-17

–

10-14

Erős ionizációs hatással rendelkezik!

J) g és X

Spektroszkópia

Röntgen sugárzás keltése: Röntgen katódsugárcső

Röntgencső, mint sugárforrás izzókatód

olajhűtéses rotor anód (pl. Wolfram-Rhenium ötvözet) üvegcső

- alacsony nyomású gáztöltésű röntgencső (üvegcső, 10-6 bar = 0,13 Pa) -

az anód és a katód közti nagy feszültség hatására a katódból elektronok lépnek ki

- amelyek a feszültség hatására felgyorsulva - az antikatódba (anód) csapódnak be - és röntgensugárzást indukálnak.

1

9/21/2014

Karakterisztikus sugárzás izzókatód

anód

Elektromos mező energiája:

elektron

elektron

1. Belső elektron kilökése: ΔEkin → Eionizáció 2. Külső(bb) elektron átrendeződik 3. Energia felesleg kisugárzása: ΔEn→1 → Efoton=hf

n=3 M héj

Welektromos  P  t Pelektromos  U  I  UI V  A W

Mozgási energia: elektron Ekin 

n=2 L héj

1 me v 2 2

elektron Welektromos  Ekin

Ugyorsító (kV)

4. Különböző átmenetek lehetségesek!

n=1 K héj

Elektromos teljesítmény:

elektron Ekin ~ U gyorsító

Atomi energia szintek karakterisztikus RTG sugárzás

elektron

n=3 M héj

Energia

0

A kiindulási (i) és a végső (j) energiaszint határozza meg a kibocsátott foton energiáját: ΔEi→j → Efoton= hfi-j

n=2 L héj

M sorozat emisszió

L

L sorozat emisszió

Figyelem! Minden átmenetnek eltér az energiája: 3 → 1 E3-1 2 → 1 E2-1 3 → 2 E3-2 ahol E3-1 > E2-1 > E3-2

Csak meghatározott energia értékek! Vonalas emissziós spektrum:

hf K sorozat emisszió

K n=1 K héj

2 → 1: Kα 3 → 1: Kβ 4 → 1: Kγ 5 → 1: Kδ

2 → 2: 3 → 2: Lα 4 → 2: Lβ 5 → 2: Lγ

λ 3 → 3: 4 → 3: Mα 5 → 3: Mβ

elektron

Az atommaggal kölcsönhatásba lépő elektron letér pályájáról, lassul! A kezdeti (Ekezd) és a végső (Evég) mozgási energia különbsége határozza meg a kibocsátott foton energiáját: ΔEkezd→vég = Ekezd- Evég → Efoton= hf

Fékezési: folytonos emissziós sugárzás Karakterisztikus: vonalas emissziós sugárzás Relatív intenzitás

Fékezési sugárzás

N M

Folytonos emissziós spektrum Hullámhossz (nm)

λ

2

9/21/2014

Duane-Hunt törvény

l 0 U  1,2345

Röntgen katódsugárcső

Relatív intenzitás

IRTG ~ nf és nf ~ neRTG tehát IRTG ~ neRTG nf: fotonszám neRTG: RTG e- szám l0U  Hullámhossz (nm)

Ha növeljük a gyorsító feszültséget: • l0 csökken • I, intenzitás nő (minden l-n)

l 0   nm

U  kV

hc 6,6x1034 x3x108   12,345x107 Vm e 1,6x1019

E   eV  1,6 1019 J

RTG foton NEM elektron!

A betáplált energia kevesebb, mint 1%-a alakul RTG sugárzássá. 99% hő! Hűtést igényel! → forgatás

Kilépő rés

c: 1,1·10-9 V-1 (konstans) U: gyorsító fesz. (több kV) I: áramerősség (~ mA) Z: rendszám (W:74)

PRtg  cU IZ 2

Fény – anyag kölcsönhatás

Röntgen-, mint elektromágneses sugárzás

DETEKTÁLÁS

I0

minta

I

I ~ A2 I: intenzitás A: amplitúdó I~n n: fotonszám

Bevezető

Jelentősége kicsi! Reflexió Transzmisszió Jelentős! RTG, CT Abszorpció Fontos! RTG, CT Képalkotási hibaforrás! de RTG diffrakció! Szórás

Abszorbció - elnyelés anyag

I0

fényforrás

I

1 2 3 vastagság

I0

I

Exponenciális függvény!!!

fotonszám: intenzitás:

Melyik függvény írja le a csökkenést?

N ( x )  N 0  e x

I ( x )  I 0  e x

Az EM-sugárzás kölcsönhatása anyaggal (makroszkópikus leírás) Az EM-sugárzás intenzitása az anyagon való áthatolása közben csökken, az egyes fotonok energiája nem. A fotonok száma Az intenzitás csökkenését exponenciális törvény írja le.  x

I ( x)  I (0)  e

I(0) = I0: a kezdeti intenzitás μ: lineáris gyengülési tényező x: a behatolás mélysége

lin. attenuációs koefficiens

3

9/21/2014

Intenzitás-csökkentő fizikai jelenségek Abszorpció: l: hullámhossz, elemfüggő A ~ λ 3 Z4 d n=N/V: sűrűségfüggő Z: rendszám (~ elektronok száma!) D: állandó d: úthossz a mintában

Fotoeffektus (fotoelektromos jelenség)

D

Az elektromágneses sugárzás (gamma-, röntgensugárzás) energiáját teljesen elnyeli egy atomi elektron. A foton lendületét (impulzusát) az atom veszi át. Ha a gamma kvantumnak elegendő energiája van, ki tudja szabadítani az elektront a mag vonzásából. 1 ℎ𝑓 = 𝑚𝑒 𝑣 2 + 𝐸𝑖𝑜𝑛 2

Fotoeffektus -> másodlagos RTG sugárzás (karakterisztikus) -> Auger elektron

hf: az elnyelt foton energiája E: az elektron kötési energiája (ionizáció) 1/2mev2 : az elektron mozgási energiája

Compton effektus: - energia -> nem érzékeny a detektor - szórás -> intenzitás csökkenés, életlen kép/kontraszt csökkenés

Compton-szórás

RTG – anyag kölcsönhatás primer hatás (direkt)

Elektromágneses sugárzás kölcsönhatása szabad, vagy gyengén kötött elektronokon. A Compton-effektus során egy energiájú és

FIZIKAI  Fotoelektromos hatás: * gerjesztés * ionizáció Z → Z+ + e-

impulzusú foton rugalmasan ütközik egy elektronnal.

A detektálás alapja az alapállapotba visszatérő elektron fénykibocsátása. Szcintillációs kristály detektor.

impulzus- és energiamegmaradás

KÉMIAI  Ionizáció →  Reaktív gyök képződés  Kémiai kötés felszakítása fotokémia: fényérzékeny anyag feketedése – Röntgen kép

RTG – anyag szekunder hatás (indirekt) BIOLÓGIAI  Reaktív gyökök keletkezése felborítja az kémiai anyagokon alapuló biokémiai ciklusok egyensúlyát  Enzimeket roncsol (oxidatívan)  Sejtszintű mal-/disfunctio → szövet → szerv → szervezet (pl. rák)

Röntgen képalkotás Röntgensugár abszorpció/transzmisszió • Röntgen kép szummációs kép (az erősebb kontrasztú takar) • A RTG. csőből kilépő sugár felnagyítja a képet • Szóródó rtg. sugár is exponálja a filmet (szürkeség)

A besugárzási dózisra nagyon figyelni kell! RTG, CT

4

9/21/2014

Lágy szövetek és röntgensugárzás kölcsönhatása

CT történelem 1917 - J. Radon, matematikai modell 1972 – CT klinikai alkalmazása Godfrey Hounsfield

    

1 - 50 keV : fotoelektromos hatás 50-200 keV : fotoelektromos hatás és Compton szórás 200 keV - 1 MeV : Compton szórás 1 - 20 MeV : Párképzés valószínűsége nő 20 MeV - : a párképzés dominál

Allan Cormack

1979 Orvostudományi Nobel-díj

128x128 felvétel a „Siretom” fej szkenner (1974) Siretom készülékkel (1975) http://www.sci.u-szeged.hu/foldtan/CT_SPCEKOLL/CT_alap.pdf

5