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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 17 I Datum

Physikalische Grundlagen der Röngtenstrahlen

PD Dr. Frank Zöllner

Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie

Computer Assisted Clinical Medicine Faculty of Medicine Mannheim University of Heidelberg Theodor-Kutzer-Ufer 1-3 D-68167 Mannheim, Germany Frank.Zoellner@MedMa.Uni-Heidelberg.de

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 18 I Datum

Physikalische Grundlagen - Röntgenstrahlen

! Wellen

! Was sind Röntgenstrahlen ?

! Welche physikalischen Eigenschaften haben sie ?

! Wie entstehen sie ?

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 19 I Datum

Röntgenstrahlen

Elektromagnetische Strahlen oder auch Wellen

" Was sind Wellen ?

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 20 I Datum

Einschub: Wellen

Welle → Schwingungen die sich im Raum ausbreiten !  Periodische Ausbreitung

(klingender Ton) !  Stoßwellen (Knall)

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 21 I Datum

Einschub: Wellen

Eigenschaften !  Amplitude (A)

!  Wellenlänge (λ)

!  Wellenzahl ( 1/λ)

!  Ausbreitungsgeschwindig-keit (c)

!  Frequenz (ν)

λ

A

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 22 I Datum

Einschub: Wellen (II)

! Mechanische Wellen (gebunden an ein Medium)

# Longitudinalwellen Schwingung erfolgt parallel zur

Ausbreitungsrichtung

# Transversalwellen Schwingung erfolgt senkrecht zur

Ausbreitungsrichtung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 23 I Datum

Einschub: Wellen (III)

! Wellen im Vakuum (ohne Medium) # elektromagnetische Wellen

Röntgenstrahlung Gammastrahlung

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 24 I Datum different energies means different interaction with tissue

PET and MRI are at the end of the spectrum

ionizing non-ionizing

Hz Hz

Micro- Visible Infrared Milli-

meter wave and RF

THz gap

10 15 Hz 10 14 Hz 10 13 10 12 10 11 Hz 10 10 Hz

Ultra- violet

10 16 Hz 10 17 Hz

magnetic resonance

imaging MRI

nuclear medicine / PET

10 18 Hz 10 19 Hz

X-ray / CT imaging

100keV 10keV

terahertz pulse imaging (TPI)

NIRF

Frequency

TV satellite dish

THz Gap

OCT

X-ray

Diagnostic Imaging: Electromagnetic Wave

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 25 I Datum

Zusammenfassung

! Wellen charakterisiert durch Frequenz und Wellenlänge

!  Transversale und longitudinale

! mediumgebundene und nicht-gebundene Wellen

! Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 26 I Datum

Entstehung der Röntgenstrahlen

PD Dr. Frank Zöllner

Computer Assisted Clinical Medicine Faculty of Medicine Mannheim University of Heidelberg Theodor-Kutzer-Ufer 1-3 D-68167 Mannheim, Germany Frank.Zoellner@MedMa.Uni-Heidelberg.de

Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 27 I Datum

Übersicht

! Grundlagen – Atome und Elektronen

! Generierung von Röntgenstrahlen

! Bremsstrahlen und Grenzwellenlänge

! Charakteristische Röngtenstrahlen

! Energie der Röngtenstrahlen

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 28 I Datum

Grundlagen – Atome und Elektronen

! Bestandteile: #  Atomkern (Protonen +

Neutronen)

#  Elektronen

! einfaches Modell: Kugel oder Schalenmodell (Bohr)

! heutiges Modell: Orbitalmodell

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 29 I Datum

Grundlagen – Atome und Elektronen

! Bestandteile: #  Atomkern (Protonen +

Neutronen)

#  Elektronen

! einfaches Modell: Kugel oder Schalenmodell (Bohr)

! heutiges Modell: Orbitalmodell

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 30 I Datum

Wichtige Einheiten bzgl. Atome

! Ordnungszahl (Z) #  Anzahl der Protonen im Kern

!  Isotope (A) #  Entspricht der Massezahl

(Neutronen + Protonen) #  Alle Isotope haben die gleiche

Ordnungszahl

! Elektronenschale(n) oder ~hülle(n)

#  sind mit Elektronen besetzt #  Anzahl Elektronen i. A. gleich der

Ordnungszahl (neutrale Ladung) #  Ionen → von Z unterschiedliche

Anzahl Elektronen

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 31 I Datum

Beispiele

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 32 I Datum

Zusammenfassung

! Atome setzten sich aus Kern und Elektronenhülle zusammen

! Ladung i. A. neutral (gleiche Anzahl Elektronen und Protonen)

! Ordnungszahl = Anzahl der Protonen ! Ionen entstehen, wenn Elektronenzahl verändert wird

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 34 I Datum

Röntgenstrahlen - Historie

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 35 I Datum

Röntgenstrahlen

! Energiereiche (schnelle) Elektronen # prallen auf ein Hindernis # werden gebremst

! Umwandlung von kinetischer Energie in elektromagnetische Strahlungsenergie

! Es entstehen: # Bremsstrahlung # Charakteristische

Röntgenstrahlung # Wärme (99%)

- Pol

+ Pol

Brennfleck

Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 36 I Datum

Edison-Richardson-Effekt (Glühemission)

! Elektronen in einem Metalldraht bewegen sich

!  überwinden Austrittsarbeit des Metalles

! Bilden um die Glühkathode im Vakuum Raumladungswolke aus

!  laden Elektroden in der Nähe der Kathode auf

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 37 I Datum

Bremsstrahlung

! Entstehen beim Aufprall auf die Brennfläche (Anode/ Brennfleck) # Umsatz von kinet. Energie

in Bremsstrahlung

# Ablenkung der Kathodeelektronen durch Atomkerne der Anode

# Umsetzung abhängig vom Abstand zum Kern

Atomkern (Anode) Flugbahn des

Elektrons

Roentgen-Bremsstrahlung

Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 38 I Datum

Bremsstrahlenspektrum

! Spektrum von Bremsstrahlen

# viele verschiedene Wellenlängen

# abhängig von der Röhrenspannung

# Anodenmaterial mit hoher Ordnungszahl erhöht die Ausbeute an Bremsstrahlen

Schaaffs. Handbuch der Physik, Springer 1957

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 39 I Datum

Röntgenstrahlen

! Ausbreitungsgeschwindigkeit # 300.000 km/s

(Lichtgeschwindigkeit) # konstant für alle

elektromagnetischen Wellen

" nur Frequenz und Wellenlänge beschreiben Form der Welle

" Spannung der Röntgenröhre bestimmt die kinetische Energie der Kathodenelektronen

5 - 20 kV Überweiche Strahlung 20 - 60 kV Weiche Strahlung 60 -100 kV Mittelharte Strahlung

100 – 250 kV Harte Strahlung (Röntgen & Gamma Strahlung)

100 – 150 kV Diagnostische Strahlung

> 250 kV Ultraharte Strahlung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 40 I Datum

Röntgenstrahlen

! Energie (E) eines Röntgenstrahls # keine kontinuierliche

Strahlung

# Gemessen in Elektronenvolt (eV)

#  typische Strahlenenergien in der Röntgendiagnostik / Strahlentherapie:

1 keV / 1 MeV

Einzelne Röntgenstrahlen werden auch als Röntgenquant bezeichnet

Elektronenvolt : kinetische Energie eines Elektrons mit Ladung 1, das sich bei einer Potentialdifferenz von 1 Volt im Vakuum bewegt.

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 41 I Datum

Anodenspannung und Frequenz/Wellenlänge

! Bremsstrahlenspektrum nicht gleichmäßig verteilt

! abhängig von der Anodenspannung (UA)

! maximale Frequenz und somit minimale Wellenlänge gegeben der Spannung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 42 I Datum

Grenzwellenlänge

! kürzeste auftretende Wellenlänge

! Elektron gibt gesamte Energie ab ! in einem einzigen Prozess

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 43 I Datum

Bremsstrahlung

Je höher die Spannung U: # desto niedriger ist die Grenzwellenlänge, # desto höher die Frequenz # desto energiereicher die Röntgenstrahlung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 44 I Datum

Charakteristische Röntgenstahlung

! besteht aus best. Wellenlängen #  charakteristisch für

Anodenmaterial ! Zusammenstoß des

Kathodenelektrons mit Elektron des Anodenatoms # Anodenelektron wird

herausgeschleudert # Platz wird von anderem

Elektron eingenommen # entstehen sog. Eigenstrahlen

http://www.desy.de/pr-info/Roentgen-light/roentgenstrahlung/roentgenstrahlung7B.html

Lα

Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 45 I Datum

Charakteristische Röntgenstrahlen

!  entstehende Strahlen werden auch als Spektrallinien bezeichnet

! Benennung gemäß

#  der Schichten aus der ein Elektron fehlt (K,L,M,…)

#  der Schicht, die ein Elektron abgibt (α,β,γ,…)

! Spektrallinien steiler Peak/ Linie im Bremsspektrum

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 46 I Datum

Beispiel – Bremsspektrum mit Spektrallinien

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 47 I Datum

Bremsstrahlenspektrum

! Welche Grenzwellenlänge erhält man bei einer Röhrenspannung von 40 kV ?

! Welche Energie (keV) haben Röntgenstrahlen maximal bei einer Röhrenspannung von 40 kV?

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 48 I Datum

Zusammenfassung Röntgenstrahlen

! entstehen durch Abbremsung von Kathodenelektronen # Bremsstrahlung # Charakteristische

Röntgenstrahlen # Wärme

! Röhrenspannung # beeinflusst die

Beschleuningung der Elektronen

# Ablenkung der Elektronen an der Anode

! Bremstrahlenspektrum # Grenzwellenlänge,

energiereichste Strahlen mit kleinster Wellenlänge

! Eigenstrahlung # Entsteht aus “Shoot-out”

von Anodenelektronen # charakterisiert das

Anodenmaterial