Röntgensugárzás, röntgendiffrakció Biofizika szeminárium

Átírás

1 Történet Röntgensugárzás, röntgendiffrakció Biofizika szeminárium Ivan Puljuj ( ): Nagyfeszültségű kisülési cső (Crookes cső) sugárzásába helyezett becsomagolt fotolemezek megfeketednek, 1886 Nicola Tesla (SRB-USA, ): Fékezési sugárzással működő röntgencső kifejlesztése, láthatatlan sugárzó energia Röntgensugárzás biológiai veszélyeinek felismerése Lénárd Fülöp (AUT-HUN-GER, , Nobel-díj, 1905) Alumínium-ablakos kisülési cső, röntgensugárzás elkülönítése, áthatolóképesség vizsgálata, 1888 Thomas Edison ( , USA) CaWO4 fluoreszkál legintenzívebben az X-sugarak hatására Első működő fluoroszkóp (röntgen-készülék) feltalálása, 1896 Sugárvédelem hiánya égési sérülések Clarence Madison Dally (Edison aszisztense): a röntgensugárzás első áldozata W. C. Röntgen Frequency and Wilhelm Conrad Röntgen ( , GER, Nobel-prize, 1901) Vastag üvegfalú kisülési cső (Crookes cső), Fekete kartonpapírral borította a csövet fényt elzárja Ba-platinocianiddal bevont képernyő halvány derengés az elsötétített szobában Láthatatlan, ismeretlen új sugárzás: X-sugarak november 22. az első felvétel emberi testről december 28. publikálja az eredményeit Wavelength: nm ( m) Energy: kev ( ~ J) RTG tulajdonságai Röntgensugárzás előállítása Rövid hullámhosszú (~ the same size as the diameter of an atom). Ionizációt okoz (adding or removing electrons in atoms and molecules). Alkalmas anyagokból lumineszcenciát (fénykibocsátás) vált ki Csont; fémek abszorbeálják Az egészséges szöveteken áthalad. Nagyon hasznos a diagnosztikában és a terápiában. 1) alacsony nyomású gáztöltésű röntgencső (üvegcső, 10-6 bar = 0,13 Pa) 2) az anód és a katód közti nagy feszültség hatására a katódból elektronok lépnek ki 3) amelyek a feszültéség hatására felgyorsulva az antikatódba (anód) csapódnak be. 5) röntgensugárzást indukálnak X-ray generator - the rotating anode tube 1

2 Lágy röntgen Low energy (120 ev-12 kev) Low penetration (in water ~ 1 µm Diagnostic Kemény röntgen High energy (120 kev-10 MeV) high penetration Therapy and x ray crystallography Röntgensugárzás keletkezik: I) Belső héjról egy e- eltávolítása KARAKTERISZTIKUS RÖNTGENSUGÁRZÁS Vonalas spektrum Röntgensugárzás keletkezése II) Lefékeződik az elektron FÉKEZÉSI RÖNTGENSUGÁRZÁS (BREMSSTRAHLUNG) Folytonos spektrum Két eltérő mechanizmus összetett spektrum electron electrons Karakterisztikus röntgensugárzás Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917 a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám Egy beérkező nagy energiájú elektron az anódban lévő K héjról kiüt egy elektront üresedés Külső elektron ugrik a helyébe Karakterisztikus rtg sugárzás keletkezik (E=héjak közötti energia különbség) Fékezési röntgensugárzás (BREMSSTRAHLUNG) Braking radiation or "deceleration radiation ( Bremsstrahlung ) Rtg csőben a felgyorsított elektron lelassul az anódban lévő atomok magjainak elektromos erőterében. Az energiaveszteség rtg fotonok kibocsátására fordítódik. Széles, folyamatos spektrumú sugárzás keletkezik Vonalas spektrum (az anód anyagára jellemző) Folytonos spektrum A röntgensugárzás Spektruma Duane-Hunt szabály (fékezési rtg-sugárzásnál) William Duane ( , USA) e- max. energialeadás = azzal a mozgási energiával, amit a gyorsítófeszültség révén szerzett. A folyamathoz mindig tartozik egy maximális fotonenergia vagy minimális hullámhossz. Breaking: continuous emission radiation Characteristic: line type emission radiation E max = e V anode =h f max = (h c) / λ min λ min = (h c) / (e V anode ) h = Planck állandó Js c = fénysebesség vákuumban m/s e = elemi töltés C 2

3 Henry Moseley ( ) A röntgensugárzás fő karakterisztikus csúcsainak frekvenciája arányos az elem rendszámával. Az első megfigyelés az atomszám és egy mérhető fizikai mennyiség között. Fontos kísérletes támogatást is nyújtott a Bohr-atommodell számára. A = 2, J σ= K-shell: 1 L-shell: ~8 n= fő kvantum szám Rtg sugárzás elleni védelem: Pb(82) - ólom Miért jó? Összetett, és nagy sűrűségű anyag A beeső fotonok nagy valószínűséggel találkoznak elektronnal. olcsó (arany, ezüst) Kevésbé toxikus mint a tallium vagy a bizmut Nagymennyiségben áll rendelkezésre Ez alapján egy ismert röntgensugárzási frekvencia mérésével meg lehetett állapítani az atom rendszámát, és megállapítani az atom helyét a periódusos rendszerben, hiszen ekkor (1913) az atommagról még nem álltak rendelkezésre ismeretek. Fény-elektromos hatás Rtg sugárzás fontos kölcsönhatásai Felelős a kontraszt kialakulásáért a képen Compton szóródás Nincs hasznos információ belőle: a kontrasztot csökkenti. Fényelektromos hatás Belső héjat érintő ionizáció A foton energiája teljesen elnyelődik Foto-elektron hagyja el az atomot (E = E beeső foton E e- kötési energiája ). Üresedés a belső elektron-héjon. Felsőbb héjról elektron tölti be az üres pozíciót. Nagyobb valószínűséggel fordul elő magas atomszámú elemek esetében (pl. csont, kontraszt anyag). Növeli a beteget ért dózist. Nagymértékben felelős a rtg képen kialakuló kontraszt mértékéért. Compton szórás COMPTON SZÓRÁS A rtg foton egy atom külső héjáról elektront lök ki. A rtg foton irányt változtat miközben energiája csökkent (frekvencia csökken, hullámhossz nő). Compton e- szabadul ki az atomból. A Compton effektus bármely szövetben előfordulhat. A szórt foton nem hordoz hasznos információt. Csökkenti a rtg képen a kontraszt mértékét. impulzus- és energia megmaradás 3

4 Hogyan lehet a rtg sugársugárnyalábot irányítani: kontrollálás A rtg sugárzás nem fókuszált, így az általa alkotott kép egy árnyékkép. Ha csak egy pontját használják a fényforrásnak élesebb kép kapható. Ha a teljes fényforrást alkalmazzuk az árnyék homályos lesz. Röntgen képalkotás o A terjedési irányban egymás mögött elhelyezkedő elemek abszorpciójának összeadódása révén o 2D szummációs leképezés o Nem tartalmaz mélységi információt o A nagyobb kontrasztú elem kitakar ja a kisebbet o A szóródó röntgensugárzás is exponálja a képet (szürke háttér) Mi éles képet akarunk. Hogyan? Számos módja van, hogy éles legyen a kép (a fényforrás pontszerűvé tétele): Az anód 17 fokos szögben áll és így keskenyebbé tehető a sugár. Rés behelyezése vagy egy ólomból készült kúp segítségével. A testről szóródó sugarakat egy ólomból készült rács elnyeli. o A vizsgált testrészt a sugárforrás és a detektor közé helyezik o Az egyes szövetek/anatómiai struktúrák abszorpciója eltéro Ahol jobban áthatol, ott a fotolemez is jobban megfeketedik o Csontokban nagyobb rendszámú elemek: Mg Z=12, P Z=15, K Z=19, Ca Z=20 o Lágy szövetekben túlnyomórészt: H Z=1, C Z=6, O Z=7, N Z=8 o A csont jobban elnyeli a sugárzást, mint pl. az izom (nagyobb elektronsűrűség), ezáltal a fotolemezt kisebb mértékben feketíti meg. Röntgen diffrakció interferencia Különböző forrású koherens hullámok összeadódása, miközben új hullámmintázat keletkezik. Konstruktív Destruktív diffrakció (elhajlás) A fény haladási irányának megváltozása egy megfelelő méretű akadályon. Huygens-elv: A hullámfront pontjai elemi hullámok (kör- illetve gömb-) kiindulópontjainak tekinthetők. A tovahaladó új hullámfront ezen elemi hullámok közös érintője, burkoló görbéje. Azonos frekvencia, egyező fázis ellentétes fázis 4

5 Az első lépés a rtg diffrakció leírásában Diffrakció kristályon Röntgen sugárzás elektromágneses hullám vagy részecske? Ha hullám diffrakció! Optikai ráccsal nem sikerült. A röntgen hullámhossza kisebb mint az alkalmazott rácsállandó!? Kristályrács alkalmazásának ötlete. Max von Laue: Nobel-díjas (1914) német fizikus Kristályrács alkalmazásának ötlete. Crystal as 3D diffraction (optical) grating! Elemi cella: ismétlődő, legkisebb geometriai mintázat : atom, ion, molekula Kristály: atomok, ionok, vagy molekulák szabályosan ismétlődő elrendeződése az anyag szerkezetében. Bragg egyenlet William Henry Bragg és fia William Lawrence Bragg kidolgozza a kristályszerkezet rtg-sugárzással való vizsgálatának alapjait. Exploring the structure of the crystal-lattice Nobel Laureates in Physics 1915 Konstruktív interferencia létrejöttének feltételei a kristályról szóródó rtg-sugárzás esetén. Milyen szögű röntgensugarat térít el legjobban a kristály, ha a röntgensugár hullámhosszát és a kristályatomok távolságát ismerjük? 2d sinθ = nλ Úthossz különbség d: a rács síkjai közötti távolság Θ : a beeső sugárzás és a szóró felület közötti szög n: egész szám λ : hullámhossz A konstruktív interferencia (erősítés) feltétele: 2d sinθ = nλ A röntgen sugár elhajlási szögéből (θ) kiszámolható a kristály síkjai közti távolság (d)! Laue egyenletek Incident X-ray Laue, 1912: a röntgen sugárzás hullámhossza összemérhető az atomok közti távolsággal a kristályon belül. Három dimenzióra Atomok közötti távolság Diffracted X-ray Az interferenciakép értelmezéséhez felhasználjuk, hogy a két szomszédos rácspontról kiinduló elhajlott röntgensugár akkor ad konstruktív interferencia maximumot (sötét pont a fényképlemezen), ha azonos fázisban érkeznek meg, vagyis a teljes úthossz különbségük a sugárzás hullámhosszának egész számú többszöröse. Úthossz különbség: Δs=AB-CD AB=a cos α n CD=a cos α 0 5

6 1958: első fehérje (bálna mioglobin) atomi struktúrájának meghatározása 1962: kémiai Nobel díj fehérjék vizsgálata röntgendiffrakcióval James D. Watson and Francis Crick DNs röntgendiffrakciós mintázata 6