9/1/014 Röntgen Röntgen keletkezése Tulajdonságok Anyaggal való kölcsönhatás Hand mit Ringen: print of Wilhelm Röntgen's first "medical" x-ray, of his wife's hand, taken on December 1895 and presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik nstitut, University of Freiburg, on 1 January 1896 Orbán József, Biofizikai ntézet, 014. szeptember Röntgen = X-ray (angol) http://en.wikipedia.org/wiki/x-ray Energia Wilhelm Conrad Röntgen; 1895 (1845-193, fizikai Nobel-díj: 1901.) 1 ev = 1,6*10-19 J Hullámhossz katódsugárcsőből kilépő : Hatására a sókristály fluoreszkál, Elektromos és mágneses mezővel nem téríthető el. Különböző anyagokban különböző mértékben nyelődik el. Röntgen UV R E= hn = hf c= ln = lf Frekvencia smeretlen forrása miatt X-nak (X-ray) nevezte el. g és X Sugárzás hullámhossza: 0,01-10 nm (10-11 -10-8 m) Jellemző folyamat Sugárzás energiája: 0,1-100 kev (~ 10-17 10-14 J) Erős ionizációs hatással rendelkezik! g és X Spektroszkópia Röntgen keltése: Röntgencső, mint sugárforrás Röntgen katódsugárcső izzókatód olajhűtéses rotor anód (pl. Wolfram-Rhenium ötvözet) üvegcső - alacsony nyomású gáztöltésű röntgencső (üvegcső, 10-6 bar = 0,13 Pa) - az anód és a katód közti nagy feszültség hatására a katódból ok lépnek ki - amelyek a feszültség hatására felgyorsulva - az antikatódba (anód) csapódnak be - és röntgent indukálnak. 1
Relatív intenzitás Energia 9/1/014 Karakterisztikus izzókatód anód P elektromos U U V A W Elektromos teljesítmény: U gyorsító (kv) Elektromos mező energiája: W elektromos Mozgási energia: E W kin P t 1 mev elektromos E kin E ~ U kin gyorsító n = 3 M héj n = L héj n = 1 K héj 1. Belső kilökése: ΔE kin E ionizáció. Külső(bb) átrendeződik 3. Energia felesleg kia: ΔE n 1 E foton =hf 4. Különböző átmenetek lehetségesek! Atomi energia szintek karakterisztikus 0 n = 3 M héj n = L héj A kiindulási (i) és a végső (j) energiaszint határozza meg a kibocsátott foton energiáját: ΔE i j E foton = hf i-j N M L K hf M sorozat L sorozat K sorozat Csak meghatározott energia értékek! Vonalas s spektrum: n = 1 K héj Figyelem! Minden átmenetnek eltér az energiája: 3 1 E 3-1 1 E -1 3 E 3- ahol E 3-1 > E -1 > E 3-1: K α 3 1: K β 4 1: K γ 5 1: K δ : - 3 : L α 4 : L β 5 : L γ 3 3: - 4 3: M α 5 3: M β λ Fékezési Az atommaggal kölcsönhatásba lépő letér pályájáról, lassul! A kezdeti (E kezd ) és a végső (E vég ) mozgási energia különbsége határozza meg a kibocsátott foton energiáját: ΔE kezd vég = E kezd - E vég E foton = hf Fékezési: folytonos s Karakterisztikus: vonalas s Folytonos s spektrum Hullámhossz (nm) λ
Relatív intenzitás 9/1/014 Duane-Hunt törvény l 0 U 1,345 Röntgen katódsugárcső U kv nm Hullámhossz (nm) l 0 E ev 1,6 10 19 J ~ n f és n f ~ n e tehát ~ n e n f : fotonszám n e : e - szám 34 8 hc 6,6x10 x3x10 7 l0u 1,345x10 Vm 19 e 1,6x10 Ha növeljük a gyorsító feszültséget: l 0 csökken, intenzitás nő (minden l-n) foton NEM! P Rtg Kilépő rés cu Z A betáplált energia kevesebb, mint 1%-a alakul sá. 99% hő! Hűtést igényel! forgatás c: 1,1 10-9 V -1 (konstans) U: gyorsító fesz. (több kv) : áramerősség (~ ma) Z: rendszám (W:74) Röntgen-, mint elektromágneses Bevezető Fény anyag kölcsönhatás 0 minta DETEKTÁLÁS ~ A : intenzitás A: amplitúdó ~ n n: fotonszám Reflexió Transzmisszió Abszorpció Szórás Jelentősége kicsi! Fontos!, CT Képalkotási hibaforrás! de diffrakció! Jelentős!, CT fényforrás 0 Abszorbció - elnyelés anyag Exponenciális függvény!!! fotonszám: intenzitás: N ( x) ( x) 0 N 0 e 0 e vastagság 1 3 Melyik függvény írja le a csökkenést? x x Az EM- kölcsönhatása anyaggal (makroszkópikus leírás) Az EM- intenzitása az anyagon való áthatolása közben csökken, az egyes fotonok energiája nem. A fotonok száma Az intenzitás csökkenését exponenciális törvény írja le. x ( x) (0) e (0) = 0 : a kezdeti intenzitás μ: lineáris gyengülési tényező x: a behatolás mélysége lin. attenuációs koefficiens 3
9/1/014 ntenzitás-csökkentő fizikai jelenségek Abszorpció: l: hullámhossz, elemfüggő A ~ λ 3 Z 4 d D n=n/v: sűrűségfüggő Z: rendszám (~ ok száma!) D: állandó d: úthossz a mintában Fotoeffektus -> másodlagos (karakterisztikus) -> Auger Compton effektus: - energia -> nem érzékeny a detektor - szórás -> intenzitás csökkenés, életlen kép/kontraszt csökkenés Fotoeffektus (fotoelektromos jelenség) Az elektromágneses (gamma-, röntgen) energiáját teljesen elnyeli egy atomi. A foton lendületét (impulzusát) az atom veszi át. Ha a gamma kvantumnak elegendő energiája van, ki tudja szabadítani az t a mag vonzásából. hf = 1 m ev + E ion hf: az elnyelt foton energiája E: az kötési energiája (ionizáció) 1/m e v : az mozgási energiája Compton-szórás Elektromágneses kölcsönhatása szabad, vagy gyengén kötött okon. A Compton-effektus során egy energiájú és impulzusú foton rugalmasan ütközik egy nal. impulzus- és energiamegmaradás anyag kölcsönhatás primer hatás (direkt) FZKA Fotoelektromos hatás: * gerjesztés * ionizáció Z Z + + e - A detektálás alapja az alapállapotba visszatérő fénykibocsátása. Szcintillációs kristály detektor. KÉMA onizáció Reaktív gyök képződés Kémiai kötés felszakítása fotokémia: fényérzékeny anyag feketedése Röntgen kép anyag szekunder hatás (indirekt) BOLÓGA Reaktív gyökök keletkezése felborítja az kémiai anyagokon alapuló biokémiai ciklusok egyensúlyát Enzimeket roncsol (oxidatívan) Sejtszintű mal-/disfunctio szövet szerv szervezet (pl. rák) Röntgen képalkotás Röntgensugár abszorpció/transzmisszió Röntgen kép szummációs kép (az erősebb kontrasztú takar) A. csőből kilépő sugár felnagyítja a képet Szóródó rtg. sugár is exponálja a filmet (szürkeség) A bei dózisra nagyon figyelni kell!, CT 4
9/1/014 Lágy szövetek és röntgen kölcsönhatása CT történelem 1917 - J. Radon, matematikai modell 197 CT klinikai alkalmazása Godfrey Hounsfield Allan Cormack 1-50 kev : fotoelektromos hatás 50-00 kev : fotoelektromos hatás és Compton szórás 00 kev - 1 MeV : Compton szórás 1-0 MeV : Párképzés valószínűsége nő 0 MeV - : a párképzés dominál 1979 Orvostudományi Nobel-díj Siretom fej szkenner (1974) 18x18 felvétel a Siretom készülékkel (1975) http://www.sci.u-szeged.hu/foldtan/ct_spcekoll/ct_alap.pdf 5