Röntgensugárzás 2012.11.21. Röntgensugárzás Elektromágneses sugárzás (f=10 16 10 19 Hz, E=120eV 120keV (1.9*10-17 10-14 J), λ<10-11 10-8 m) 0.12-12keV: lágy; 12-120keV: kemény Elektronátmenetek által kiváltott sugárzás (!) ionizáló sugárzás Wilhelm Conrad Röntgen, német fizikus 1895 November 8 X-ray (ismeretlen sugárzás) 1901 Fizikai Nobel-díj elektronátmenetek által kiváltott sugárzás gamma sugárzás: atommag által kibocsátott sugárzás 1
Történeti háttér Wilhelm Conrad Röntgen 1895 november 8: egy ismeretlen sugárzás előállítása és detektálása ( X-rays vagy Röntgen sugárzás) 1895 decemer 28: Az eredmények leközlése Röntgen W.: Ueber eine neue Art von Strahlen. Sitzungsberichte der Wuerzburger Physik.- medic. Gesellschaft, Wuerzburg, 1895. Első fizikai Nobel Díj 1901-ben Röntgen sugárzás előállítása (rtg csövek) vákum Hűtött anód 1 ma - 1 A hot cathode: source of electrons 30-150 kv Rtg sugárzás ~ 1%-a az elektornok energiájának. Hő ~ 99%. Gyorsító feszültség (30-150kV) ~ az emittált fotonok energiája ~ áthatolóképesség ~ kontraszt a rtg képeken. Áramerősség (1mA-1A) ~ kibocsátott elektronok száma (dózis) ~ a rtg képek sötétsége. 2
Rtg sugárzás elleni védelem: Pb(82) - ólom Miért jó? Összetett, és nagy sűrűségű anyag A beeső fotonok nagy valószínűséggel találkoznak elektronnal. olcsó (arany, ezüst) Kevésbbé toxikus mint a tallium vagy a bizmut Nagymennyiségben áll rendelkezésre Rtg sugárzás típusai Karakterisztikus rtg sugárzás fékezési röntgensugárzás ( Bremsstrahlung ) 3
Röntgensugárzás keletkezése karakterisztikus röntgensugárzás vonalas spektrum (anód anyagától függ) Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917 a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám fékezési röntgensugárzás ( Bremsstrahlung ) folyamatos spektrum Karakterisztikus rtg sugárzás vonalas spektrum (anód anyagától függ) 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) 4
Fékezési rtg sugárzás Fékezési rtg sugárzás = Bremsstrahlung folyamatos spektrum A rtg csőben a felgyorsított elektron lelassul az anódban lévő atomok magjainak elektromos erőterében. Az energiaveszteség rtg fotonok kibocsátására fordítódik. Széles, folyamatos spektrumú sugárzás keletkezik. Röntgensugárzás létrejötte M kilökődött elektron L becsapódó elektronok K ütközés az atommaggal (maximális energia) Közeli kölcsönhatás (közepes energia) Karakterisztikus rtg sugárzás (diszkrét energia átmenetek) Távoli kölcsönhatás (alacsony energia) 5
Rtg sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Kölcsönhatás típusa Koherens szóródás Compton szóródás Foto-elektromos hatás Pár képződés Fotodestrukció Kölcsönhatás fontossága Nem fontos Diagnosztikus radiológia Diagnosztikus radiológia Terápiás radiológia Terápiás radiológia Koherens szóródás Klasszikus szóródás. A hullámhossza a szóródott sugárzásnak nem változik sem az energiája. Egyedül a sugárzás iránya változik meg. Energiában nincs változás. 6
Compton szóródás 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. Foto-elektromos 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 valószínüséggel fordul elő magas atomszámú elemek esetében (pl. csont, kontraszt anyag). Növeli a beteget ért dózist. Nagymértékben felelős a rtg képen kialakuló kontraszt mértékéért. 7
Párképződés e - foton atommag e + Párképződés előfeltétele, hogy a foton energiája legalább 1.022 MeV legyen (0.511MeV az elektron nyugalmi tömegéhez rendelhető energiamennyiség.) Gamma sugárzás nagy energiájú fotonok (E>100 kev). Fotodestrukció Egy atommag szétesése nagy energiájú foton energiájának abszorpcióját követően. 8
Rtg sugárzás fontos kölcsönhatásai Foto-elektromos hatás Felelős a kontraszt kialakulásáért a képen Compton szóródás Nincs hasznos információ belőle: a kontrasztot csökkenti Képalkotásban fontos tényezők Compton szóródás (nincs hasznos információ) Foto-elektromos hatás (világos területeket hoz létre a képen) Áthaladt rtg sugárzás (sötét területeket hoz létre a képen) 9
Rtg sugárzás felhasználása Radiográfia (képalkotás) Repülőtéri szkenner Radioterápia malignus sejtek elpusztítása Ipari felhasználás Rtg-krisztallográfia Rtg sugárzás veszélye Ionizáló sugárzás! ionizáció: az a folyamat melynek során egy atom vagy molekula ionos formába alakul át azáltal, hogy egy töltött egységet felvesz vagy tőle megszabadul (pl. elektron) reaktív végtermék Káros (e.g. sugárzási betegség, daganatos elváltozások) 10
Vége! 11