Homor István ( ) fizikus, a szegedi főreáliskola igazgatója

4. RÖNTGENSUGÁRZÁS Szegedi vonatkozás: Homor István (1849-1934) fizikus, a szegedi főreáliskola igazgatója -

1896. január 18-án kezdte kísérleteit. 1896. január 20-án már sikerült. (egy diákja kezét fényképezte le) 1896. február 23. Dugonics Társaság ülése – „csodával felérő fény” bemutatása. Röntgen 1895. december 28-án publikálta felfedezését.

Az elektromágneses sugárzás spektruma

nem ionizáló ionizáló

kis- nagyfrekvencia log  0

10

(100 nm)

(9 kHz)

5

1 km

1m

-3

10 villanyáram (50 Hz, 60 Hz) villanyáram villamos vasút HH KH RH (16 2/3 Hz) AM FM rádió földmágneses erőtér

15

10

1 mm

20

1 m

1 nm

103 v n s

URH

TV

indukált töltésáramlás

h radar

IR

forgás rezgés molekuláris

z

k

1 pm



1012

E (kJ/mol)

X



röntgensugárzás

gammasugárzás

i

látható UV

ionizálás kovalens kötések felszakítása

elektronok gerjesztése

A röntgensugárzás tulajdonságai Elektromágneses sugárzás (egyenes vonalban terjed, elektromágneses és mágneses tér nem téríti el, polarizálható, interferenciát mutat,~ 10-2 – 2*104 pm) Keménység (lágy -  nagy; kemény

-  kics

Intenzitás (a keménységtől független, a katód fűtőáramától függ) Hatásai - ionizáló hatás - fluoreszcenciagerjesztő hatás - fotográfiai hatás - kémiai hatás - biológiai hatás A röntgensugárzás előállítása Röntgencsővel (Coolidge-cső) + ○ U kV ● K

AK

~

A

-

W

e

röntgensugár A röntgencső teljesítménye:

Px  Pe  Ex  Ee 

  k  Z  U  Px  k  Z  U  P  k  Z  U  U  I   k  Z U 2  I

K = izzó katód (-) AK= antikatód (-) A = anód (+) W = Wehnelt-henger

Részecskegyorsítók a) Ciklotron

Fcp 

b) szinkrociklotron relativisztikus tömegnövekedés c) betatron

d) LINAC

mv 2  Bqv  FB r



v Bq  r m

f 

 Bq 2m  T  2 2m Bq

e) elektron monokromátor v B

B

mv 2 Fcp   Bqv  FB r v Bq   r m

F v1 v2 eA) Keletkezési mechanizmusai/a röntgensugárzás típusai fékezési röntgensugárzás Nagy sebességgel mozgó elektronok lefékeződése. A röntgensugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében. max

I

25 keV 20 keV 10 keV 5 keV h



elektromos tér energiája e- kinetikus energiája röntgen foton energiája

Emax  e  U 

1 m  v 2  h  h 2

h 

h és max független az anód anyagától!

eU h

h c eU Duan – Hunt törvény h 

karakterisztikus röntgensugárzás Lezárt héjon levő elektronok átrendeződése.

eK, K, K KL M N

O N M L K



K(,,…)

Moseley törvénye:

L(,,…) M(,,…)

Z

A röntgensugárzás gyengülése - divergencia (~1/r2) - szóródás - abszorpció

I  I 0  e x x=rétegvastagság; =gyengítési állandó (függ: Z, , ) A gyengülés mechanizmusai A) Koherens szórás B) Compton szórás C) Fotoelektromos hatás D) Párképződés

  A BZ

      . párképződés Compton-effektus Fotoelektromos hatás

Lineáris gyengítési állandó (cm-1)

Ábra: A lineáris gyengítési állandó a kvantumenergia függvényében

1  0.1  0.01



k

c

0.001 10 keV

100 keV 1 MeV 10 MeV Röntgenkvantum energiája

100 MeV

Táblázat: Az egyes gyengülési mechanizmusokhoz tartozó gyengítési állandók () függése a röntgenkvantum energiájától (E), a rendszámtól (Z) és az előfordulásuk energiatartományai. A gyengülés módja

(E)

(Z)

Koherens szóródás (k) Fotoelektromos hatás () Compton szóródás (C) Párképződés ()

~1/E

~Z2

Energiatartomány lágy szövetekben 1-20 keV

~1/E3

~Z3

1-30 keV

~1/E0,5

független

30 keV-20 MeV

~E

~Z2

>20 MeV

A röntgensugárzás alkalmazásai Diagnosztikai alkalmazások A) szummációs kép - természetes kontrasztok - mesterséges kontrasztok (Ba: tápcsatorna; I: erek, vese, epe) Képalkotás: a) fluoroszkóp b) digitalizáció tomográfia - geometriai tomográfia Ábra:

- CT Orvosi Nobel díj: Cormack és Hounsfield (1979) Röntgen x I0 1

I

2

1

2

I1  I 0  e  1  x I 2  I1  e   2  x I3  I 2  e

 3 x

. . I k  I k 1  e   k  x

I  I 0  e  ( 1   2 ...  k ) x I  I0  e



k

 i  x i 1

A vízhez viszonyítva: I  I0  e I  I0  e



k

 (  i   víz ,i   víz ,i ) x i 1



k

  víz ,i  x i 1

e



k

 ( 1   víz ,i ) x i 1

energiától függ

I  I 0, víz  e



energiától független

k

 ( 1   víz ,i ) x i 1

- információ a struktúráról MRI (NMR) tomográf - információ a struktúráról PET (Pozitron Emissziós Tomográf) - 189 F -ral jelzett glükóz (+ sugárzó) - strukturális és funkcionális információk They were taken under two different conditions. In the first one (uppermost image), an individual was hearing a text, in order to learn a new language task. The color map shows the regions of the brain which were activated by this task, in other words, where there were cells working more than in their resting state, with a higher metabolism (using more energy and more blood flow). The PET machine shows the degree of activity in several tones of color, like in a rainbow. Yellow and red regions are "hotter", that is, they indicate a higher cell activity. Blue and black regions show decreased activity or none at all. While obtaining this image, the patient was still unpracticed at the language learning task. The highest brain activities are shown in an area called temporal lobe, responsible for the hearing perception, and in another area called prefrontal cortex, responsible for understanding language. In the second condition (lowermost image), the same individual has now learned the language task and is spelling out. You can easily see in the color map that two different regions of the brain were activated in each condition. Now the activity is concentrated in the area of the cortex which is responsible for the motor control of voice, the so-called area of Broca, so named because it was discovered by a French physician named Paul Broca, in the turn of the century. Thus, the functional map obtained with PET closely corresponds with what we know about the brain's functional neuroanatomy, discovered by other methods. The difference here is that we can actually obtain a real-time image of brain function.

This image shows a brain tumor. The PET is very useful not only to detect a tumor when it's in the initial stages of growth, making the treatment more effective in eradicating it, but also to detect it's type, malignancy and spread, without the need to open the patient's brain to carry out a risky biopsy

Terápiás alkalmazások - daganatok roncsolása Röntgen diffrakció

sin                . . d x             

Pl.: mioglobin (Kendrew) hemoglobin (Perutz) B12-vitamin DNS (Crick, Watson, Wilkins) porin( Covan et al.) prosztaglandin H-szitetáz (Picot et al.) pRC (Michel, Deisenhofer, Huber) Molekulák rácspontokban - fázisproblémák

x  2  x  2  d  sin   k   d

Bragg-összefüggés