A röntgensugárzás előállítása és tulajdonságai
A katodsugárcső közelébe helyezett platinocianid fluoreszkál A gerjesztő sugárzás nagy áthatolóképességű 1895. december 22.-én készült felvétel Röntgen feleségének kezéről
Wilhelm Conrad Röntgen és kora
a kor
1895 – az év
1896: Becquerel felfedezi a radioaktivitást
Röntgen felfedezi az “ismeretlen” sugárzást Alfred Nobel megírja végrendeletét, a Nobel-díj megalapítása Auguste és Louis Lumière bemutatják az első mozgóképet George B. Selden benyújtja az automobil szabadalmát Rudyard Kipling publikálja a Dzsungel könyvét
1897: Thomson felfedezi az elektront 1898: Pierre és Marie Curie felfedezi a polóniumot és a rádiumot
A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás
Orvosi alkalmazás – 1896. január
Wilhelm Conrad Röntgen 1901 Fizikai Nobel-Díj a röntgensugárzás felfedezéséért
A röntgencső felépítése Elektronok kilépése
Elektronok felgyorsítása
spektroszkópia
Publikálás – 1895. december
diagnosztika terápia
energia (eV) energia (eV) energy (eV) 106 105 104
légritkított cső
10 5
frekvencia(Hz) frequency (Hz) 10
hullámhosz wavelength(m) (m)
25
102
10
Ï
1020
röntgen
10 -10
Ð
Ð
10 0
Ï
ultraibolya
1015
Ð
Ï Ï
10 -5
1010
101
10 -10
10 5
100
10 -15
10 0
10 -20
10
-5
-15
gamma
Ï
103
Ð
infravörös
mikrohullám
10 0
Ð
TV/FM radió Ï Ð
radió
10 -5
Ï Ð
10 5 10 10 10 15
A röntgencső működése Elektronok kilépése
anód izzókatód T > 1000 C
izzókatód
10
10
hosszú hullámhosszú
Felfedezés – 1895. november
Nagy sebességű részecskék lefékeződésekor röntgensugárzás keletkezik
vákuum ~ 10-4 Pa szabad úthossz ~ 10 cm
levegőben, normál nyomáson szabad úthossz ~ 70 nm
A röntgencső működése
A röntgencső működése
Elektronok felgyorsítása
anód
Pl.
Az anód anyaga: -minél nagyobb rendszám -minél magasabb olvadáspont Elektromos tér munkája
W = ΣFΔs = QΣEΔs W = QU
Az anód fokusza (az elektronok becsapodasanak helye) -kis fókusz → élesebb kép -nagy fókusz → jobb hőeloszlás v=
m 2 eU = 1 .5 ∗ 10 8 [ ] me s
A röntgensugárzás keletkezésének lépései Töltött részecskék generálása Gyorsítás
e-, H+, könnyű ionok röntgencső, részecskegyorsító
Lefékezés
Az anód helyzete: -álló - terhelhetőség: néhány W/ mm2 (fogászati gyakorlatban elég) -forgó egyenletesebb hőeloszlás, terhelhetőség: 10000 W/ mm2
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusa 1. Fékezési sugárzás E=
1 2 mv = eU 2
hf
e29Cu, 42Mo, 74W, 78Pt
E ' = E − hf
A belepő elektron eltérül a mag erőterében. Az eltérülő elektron mozgási energiája csökken. Az energiakülönbséggel azonos energiájú foton keletkezik. A foton energiája függ a - a beérkező elektron energiájától - az elterülő elektron pályájától - a target rendszámától A maximális fotonenergia a belépő elektron mozgási energiájával egyenlő.
A belepő elektron – ha energiája elég nagy – belső héjon lévő elektront gerjeszthet/ionizálhat. A távozó elektron helyen “lyuk” marad. Az energiaiminimum eléréséhez a betöltetlen állapotot magtól távolabbi elektron tölti be. A héjak közötti energiakülönbséggel azonos energiájú foton keletkezik.
2. Karakterisztikus sugárzás E=
1 2 mv = eU 2
e-
hf=EK - EL
Lehetséges energiaátmenetek
A röntgensugárzás spektruma
Folytonos fékezési spektrum
K vonalak
P
L vonalak
λmin Emax
λmin =
Vonalas karakterisztikus spektrum
hullámhossz (nm)
Folytonos fékezési spektrum
λmin =
hc eU
K vonalak
P
L vonalak
λmin
energia (keV)
Emax
hc eU
Vonalas karakterisztikus spektrum
hullámhossz (nm) energia (keV)
Duanne-Hunt szabály
A röntgencső teljesítménye és hatásfoka P = cIU 2 Z
A röntgensugárzás spektruma
P
K vonalak
ha csökken a gyorsító feszültség : U1>U2>U3
Prel U1
c=1,1×10-9 [1/V]
P1>P2>P3 Emax1>Emax2>Emax3
η=
P = cUZ P'
λmin Emax
hullámhossz (nm) energia (keV)
U3
U2
energia (keV)
ha csökken az áramerősség: Prel
I1>I2 P1>P2
I1
Emax1=Emax2
I2
ha változik az anód anyaga: Z1
Prel
K vonalak
Z1>Z2 P1>P2
L vonalak
K vonalak
Emax1=Emax2
Z2
energia (keV) energia (keV)
Szűrők alkalmazása 3mmAl nélküli 0 0.1mmCu + 3mmAl3 mm Al Szűrés spektrum
Prel
In t e n s it y
3 mm Al + 0,1 mm Cu
külső szűrő
Szűrők alkalmazása A sugárzás tulajdonságainak (spektrum, térbeli eloszlás) módosítása A felépítésből adódó szerkezeti elemek szűrő hatása.
A sugár útjába helyezett külső szűrő, általában Al vagy Cu lemezek.
Pl. az anód anyaga, röntgencső Ezek segítségével szabályozhatunk. fala, sugárkapu, stb.
Hátránya: csökkenti az intenzitást 0
10
20
30
40
50
energia keV(keV)
60
70
növeli a felvétel idejét
80
Előnye:
kb 80%-kal csökkentheti a paciens sugárterhelését
Tipikus előállítási körülmények az orvosi gyakorlatban
Speciális előállítási körülmények
Gyorsító feszültség: 25 – 200 kV
Részecskegyorsítók
Anód áram: 1 – 1000 mA Anód anyaga: általában W, mammográfiaban Mo
Ciklotron
Linearis gyorsítók ionforrás
gyorsítás
ionforrás mágneses erővonalak
cilindrikus elektródok
ionforrás
duáns vákuumcső
gyorsítás Alkalmazása pl. sugárterapiában
gyorsítás
mágneses tér (Lorenz-erő) → körpálya elektromos tér → gyorsulás; pálya sugara nő
A röntgensugárzás orvosi alkalmazásai Röntgendiagnosztika
A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal Intenzítás gyengülésének törvénye μ függ az abszorbens sűrűségétől (!) DE! μ és a sűrűség aránya állandó
Sugárterápia
J = J 0 e − μx μm =
μ ρ
μm [cm2/g] : tömeggyengítési állandó
Sterilizálás
Függ – a foton energiájától – az abszorbens rendszámától
A kölcsönhatás mechanizmusa
Intenzítás gyengülésének törvénye
J = J 0 e − μ m xm
Fotoeffektus
x m = ρx xm
[g/cm2]
hf = E köt +
: felületi sűrűség
μ=
0.693 D
és
Dm = ρD
μm =
0.693 Dm
1 me v 2 2
A kölcsönhatás mechanizmusa Compton-szórás hf = E köt +
A kölcsönhatás mechanizmusa Párképzés
1 me v 2 + hf ' 2
1 hf = 2me c 2 + 2 me v 2 2 hf ≥ 2me c 2 hf ≥ 1.02 MeV
A röngtgendiagnosztika alapja: a sugárzás elnyelődése
A részfolyamatok (abszolút és relatív) valószínűsége függ -a foton energiájától -az abszorbens rendszámától
A foton kölcsönhatásának lehetőségei:
μ=τ+σ+κ fotoeffektus
Compton-szórás
Compton-szórás fotoeffektus
párképzés
révén történő gyengülésre vonatkozó gyengítési állandók
μm = τ m + σ m + κ m
Comptonszórás
elnyelődés fotoeffektusban
detektor Áthaladt sugárzás
nincs kölcsönhatás
Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika
II. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6
