Kvantumfizikai jelenségek az élet- és orvostudományokban

Hasonló dokumentumok
Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Röntgenanalitika. Röntgenradiológia, Komputertomográfia (CT) Röntgenfluoreszcencia (XRF) Röntgenkrisztallográfia Röntgendiffrakció (XRD)

Röntgen. W. C. Röntgen. Fizika-Biofizika

Röntgendiagnosztika és CT

Röntgendiagnosztikai alapok

Az elektromágneses hullámok

A röntgendiagnosztika alapjai

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Orvosi biofizika II. Orvosi Biofizika II. Az X-sugár. Röntgen- sugárzás Előállítás, tulajdonságok

Röntgensugárzás. Karakterisztikus röntgensugárzás

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Röntgendiagnosztika és CT

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1. Fény kölcsönhatása az anyaggal. 2. Ionizáló sugárzás kölcsönhatása az anyaggal KAD

A röntgensugárzás keltése Fékezési vagy folytonos Rtg sugárzás. Röntgensugárzás. A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

A röntgendiagnosztika alapjai

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

A hőmérsékleti sugárzás

Jelöljük meg a kérdésnek megfelelő válaszokat! 1, Hullámokról általában: alapösszefüggések a harmonikus hullámra. A Doppler-effektus

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei. Konzultáció: minden hétfőn 15 órakor. 1. Fizikai történések

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra. Töltött részecskék elnyelődése. Sugárzások és anyag kölcsönhatása. A sugárzások elnyelődése

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei

Röntgen sugárzás. Wilhelm Röntgen. Röntgen feleségének keze

Bővített fokozatú SUGÁRVÉDELMI TANFOLYAM

A fény korpuszkuláris jellegét tükröző fizikai jelenségek

Modern fizika vegyes tesztek

A lézer alapjairól (az iskolában)

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Abszorpciós fotometria

Arany-Tóth Attila. Sebészeti röntgenvizit: Általános radiológia - előadás

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Milyen simaságú legyen a minta felülete jó minőségű EBSD mérésekhez

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Röntgensugárzást alkalmazó fıbb tudományterületek

Röntgensugárzás, röntgendiffrakció Biofizika szeminárium

3. GAMMA-SUGÁRZÁS ENERGIÁJÁNAK MÉRÉSE GAMMA-SPEKTROMETRIAI MÓDSZERREL

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

Az ionizáló sugárzások előállítása és alkalmazása

Theory hungarian (Hungary)

Radioaktív sugárzás elnyelődésének vizsgálata

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

Röntgensugárzás 9/21/2014. Röntgen sugárzás keltése: Röntgen katódsugárcső. Röntgensugárzás keletkezése Tulajdonságok Anyaggal való kölcsönhatás

Általános radiológia - előadás. Arany-Tóth Attila. Radiológia-Aneszteziológia: 6. félév: 3 kredit


Az optika tudományterületei

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Modern fizika laboratórium

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Abszorpciós fotometria

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Mérési jegyzőkönyv. 3. mérés: Röntgen-cső, emissziós spektrumok, abszorpció

AZ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KETTŐS TERMÉSZETE

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Pótlap nem használható!

Mit értünk a termikus neutronok fogalma alatt? Becsüljük meg a sebességüket 27 o C hőmérsékleten!

A hőmérsékleti sugárzás

Fizika II. feladatsor főiskolai szintű villamosmérnök szak hallgatóinak. Levelező tagozat

Kémiai alapismeretek 2. hét

Az ionizáló sugárzások előállítása és alkalmazása

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

KVANTUMMECHANIKA. a11.b-nek

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Pásztázó elektronmikroszkóp. Alapelv. Szinkron pásztázás

Az atom felépítése Alapfogalmak

Diagnosztikai röntgen képalkotás, CT

Kémiai alapismeretek 2. hét

Talián Csaba Gábor Biofizikai Intézet április 17.

1. Az ionizáló sugárzások és az anyag kölcsönhatása

2. tétel - Gyorsítók és nyalábok (x target, ütköz nyalábok, e, p, nyalábok).

IDTÁLLÓ GONDOLATOK MOTTÓK NAGY TERMÉSZET TUDÓSOK BÖLCS GONDOLATAIBÓL A TUDOMÁNY ÉS A MINDEN NAPI ÉLET VONAKOZÁSÁBAN

Átírás:

Kvantumfizikai jelenségek az élet- és orvostudományokban Röntgensugarak Maróti Péter egyetemi tanár, SZTE Röntgencső működés közben Ajánlott olvasmányok: Maróti P. és Laczkó G.: Bevezetés a biofizikába, JATEPress, Szeged, 1998. Damjanovich S., Fidy J. és Szőlősi J.: Orvosi biofizika, Semmelweis Kiadó, Budapest 2006. Maróti P. és Tandori J.: Biofizikai feladatok, JATEPress, Szeged, 1996.

Az eektromágneses sugárzás spektruma Az innováció iskolapéldája A röntgenkvantum energiája a diagnosztikában: 30-200 kev a terápiában: 5-20 MeV Gyűrűs kéz (Hand with Rings): Wilhelm Conrad Röntgen első, orvosi tárgyú röntgenfelvétele felesége kezéről 1895. december 22-én.

A röntgensugarak tulajdonságai Röntgen már korai kísérleteivel bebizonyította, hogy a sugárzása: - lumineszcenciát vált ki a kisülési cső falában, - egyenes mentén terjed, - nem térül el mágneses indukcióban (térben), - vastagabb anyagrétegben jobban elnyelődik, mint vékonyabban, - szóródik, amikor (emberi) testen halad át, és - képes gázokat ionizálni. A röntgensugárzás tulajdonságait meghatározó legfontosabb paraméterek: - anódfeszültség: a röntgenkvantum (foton) energiáját határozza meg, - az anód anyagának kémiai összetétele: a karakterisztikus sugárzás hullámhosszát határozza meg, és - a szűrők minősége és vastagsága: a sugárzás keménységét (lágyságát) határozzák meg. Ez az előadás csak a fizikai alapokkal és azok közvetlen alkalmazásaival foglalkozik. A diagnosztikai és terapikus orvosi alkalmazások más előadások anyagát képezik.

félárnyék A röntgensugárzás előállítása Fókuszált röntgennyalábot adó cső Coolidge (nagy-vákuum) cső Kettős fókuszú röntgencső Minél kisebb F, annál élesebb a leképezés D nyílásméret, F tárgy R = F d/d d árnyékmag R Minél kisebb R, annál nagyobb a kontraszt. Rövid megvilágítás (hosszú izzószál) Hosszú megvilágítás (rövid izzószál)

Röntgencsövek Coolidge-típusú röntgencső 1917-ből. Az izzó katód a bal oldalon látható, az anód a jobb oldalon. A röntgensugarak lefelé hagyják el az anódot.

Különböző röntgencsövek A búra (lámpa) átmérője 7 cm A nagyobb cső hossza kb. 25 cm. Egy kis üvegrekeszben aktív szén van, amelyet felizzítanak, ha elromlik a belső vákuum (vákuumszabályzó). A kisebb cső 15 cm hosszú, az üveggömb (lámpa) átmérője 5 cm.

Tenyérben tartott röntgencső

A: Anód C: Katód T: Anód céltárgy W: röntgenablak árambevezetés a katód izzításához Forgó anódú röntgencső A vákuumcsövön kívüli álló tekercsek (sztátor) elektromágneses tere az anódot szabadon forgathatja, és ezzel az elektronok az anód különböző területeit bombázhatják. anódfeszültség

Forgó anódú röntgencső A röntgen emisszó hatásfoka csekély (~1%), azaz sokkal több elektron csapódik az antikatódba, mint amennyi röntgen kvantum onnan távozik. Az anódnak forgnia kellene, de a mozi technikailag még nem tökéletes.

Röntgensugárzás keltése gyorsítókkal Linac A lineáris gyorsító elektromágneses katapult, amely az álló elektronokat rövid, egyenes szakaszon relativisztikus (a fénysebességhez közeli) sebességre gyorsítja. Az elektronágyúból nagy sebességű elektronok jönnek ki, amelyeket a nyalábosító csomagokra bont, és felgyorsít. Az elektron pulzáló, nagyenergiájú, haladó mikrohullámú térben mozog. A gyorsító energia kis térrészre koncentrálódik. A gyorsítás hasonló módon történik, mint ahogy a lovon ülő zsoké hajtja a lovat, vagy ahogy az óceán hullámai gyorsítják a rajtuk lovagló szörfdeszkásokat. A négyszög alakú elektromos tér gyorsítja, és átsegíti a töltéseket a féltekék között A mágneses tér eltéríti a töltött részecskéket A ciklotron -elvű elektrongyorsítókat betatronok -nak nevezik.

Ciklotron Alapkérdés: Hogyan lehet az ionokat (elektronokat) körpályán tartani, miközben a sebességük állandóan növekszik? Mozogjon az m tömegű ion a homogén B +e mágneses indukcióra merőleges síkban R F sugarú körpályán állandó v sebességgel! A v R pályája stabilis, ha a ráható Lorentz-erő éppen a centripetális erőt adja: Noha a pálya sugara a sbességtől függ, a keringési idő B vagy a (ciklotron-) frekvencia NEM. T f evb R m m eb 2 v R v 2R 2 m v eb 1 eb T 2 m

A betatron (Donald Kerst, 1940) transzformátor-szerű elektrongyorsító, amelyben a szekundérkörben az elektronok egyre nagyobb sebességgel végzik körmozgásukat a primér körben folyó váltóáram hatására. Egy érdekes kérdés: hogyan kényszeríthetők az elektronok körpályára, ha egyre nagyobb és nagyobb sebességgel mozognak? Hordozható betatron röntgenkészülék működtetésére. A cirkuláris elektrongyorsító irányított és kemény röntgensugárzást ad. vákuumcső vasmag céltárgy e - α Technikai alapadatok: A kilépő Rtg-sugárzás energiája: 2-6 MeV Dózis-sebesség (3' levegőben): 3R (3cGy)/perc Fókusz nyílás-méret: 01" x.039" Nyalábdivergencia: 26 szögfok Radiografikus érzékenység minimuma: 0.5% AC bemenő teljesítmény: 110/240V 50/60 Hz A röntgensugár szögdivergenciája: α = m e c 2 /E m e az elektron tömege, c a fény terjedési sebessége és E a felgyorsított elektron energiája, amikor elhagyja a betatront.

Primértekercs Elektron B pálya Az elektronpályák stabilitási R Szekundértekercs B feltétele betatronban A primértekercsben átfolyó váltóáram időben változó mágneses fluxust kelt, amely az elektronpálya mentén V elektromos feszültséget indukál. Az elektronokat az a (pályamenti) V feszültség ill. a hozzátartozó elektromos térerősség E gyorsítja, amelyet a primér tekercs mágneses fluxusa indukál: Φ B V R 2 t t Newton 2. törvénye alapján: p V R B F e E e e t 2R 2 t V Lorentzerő = a körmozgás centripetális ereje 2 v v Elektronpálya e v Bpálya m p R R p t ( e R B t Ebből: p = e R B pálya és pálya) A mágneses indukciónak az elektronpálya mentén (B pálya ) fele akkorának kell lenni, mint a teljes elektron-térrészre vonatkozó (közepes) mágneses indukció (B). Ezt a mágneses pólusok megfelelő alakjával lehet elérni. B e R t B pálya pálya 1 2 B

LINAC (Linear Accelerator) Az elektronokat lineáris gyorsítóval, azaz egyenes mentén is fel lehet nagy sebességre gyorsítani. Ez azonban nem valamennyi elektronra, csupán elektronok csoportjára vonatkozik (impulzus-gyorsítás). Gyorsítási szakaszok ionforrás Elektronimpulzusok sorozata nagyfrekvenciás generátor A hengeres üregvezetőkben nagy frekvenciájú elektromágneses hullám halad, amelynek fázissebességét a szabályosan elhelyezett nyílások (blendék) segítségével az elektron aktuális sebeségéhez kell illeszteni.

Linac Céltárgy Ionforrás Nagyfrekvenciás nagyfeszültség Az elektronok meglovagolják a haladó elektromágneses hullámot. A beépített iriszblendék a nagyfrekvenciás elektromágneses hullám fázissebességét az elektron aktuális sebességéhez illesztik, ezzel az elektron együtt tud maradni a haladó hullámmal, és egyes csoportjai lokálisan gyorsíthatók.

A röntgensugárzás spektruma Karakterisztikus sugárzás: mivel az elektronok energia-szintjei az anód anyagának atomjaiban diszkrétek (kvantáltak), ezért az általuk keltett röntgensugárzás is kvantált. Ezt fejezik ki az anód anyagára jellemző (karakterisztikus) vonalak a spektrumban. Fékezési sugárzás: Az anódba nagy sebességgel becsapódó elektronok az atomokkal ütköznek, eltérülnek, és végül lefékeződnek. A gyorsuló (itt lassuló) töltés elektromágneses hullámot (röntgensugarat) emittál. Mivel az elektron mozgása nincs korlátoknak (kényszerfeltételeknek) alávetve, így energiája folytonos (nem kvantált). Emiatt a megfigyelt fékezési sugárzás spektruma is folytonos.

Beütés/s A 3D röntgenspektrumnak állandó (60 kv) anódfeszültségnél vett síkmetszete K α karakterisztikus K vonalak Anód: Rhodium (céltárgy) K β Fékezési sugárzás λ min hullámhossz (pm)

Folytonos és vonalas spektrum Röntgen-spektrum A röntgensugárzás intenzitása Atomi energiaszintek Frekvencia (energia) Hullámhossz A röntgensugarak a magokon kívülről, a belső elektronhéjról származnak. Két típusa van: (1) Karakterisztikus (K- vagy L) sugárzás, amely úgy keletkezik, amikor egy elektron egy külső pályáról a legbelső pályán felszabaduló üresedésbe ugrik. Az így felszabaduló röntgenfoton energiája az atom fajtájára jellemző, és ezzel a spektrométer kémiai elemek azonosítására használható fel. (2). A fékezési sugárzás akkor keletkezik, amikor a nagy sebességű elektronok az atom ill. atommag elektromos terében lefékeződnek. A spektrum folytonos egészen addig a maximális energiáig, amellyel a bombázó elektronok rendelkeznek.

Fékezési sugárzás: a Duane Hunt eltolódási törvény A Duane-Hunt törvény a röntgencső fékezési sugárzásának maximális frekvenciáját adja meg, miközben az e töltésű elektronok a V gyorsító (anód)feszültség hatására az anód anyagába ütköznek. Amennyiben az elektron teljes energiája (veszteség nélkül) röntgenkvantummá alakul át, az ehhez tartozó frekvencia, ami egyben a ν max maximális frekvencia is, könnyen meghatározható: ν max = ev/h. Ebből a röntgensugárzás hullámhosszának minimuma is adódik: λ min = (hc)/(ev), ahol h a Planck-állandó és c a vákuumbeli fénysebesség. Ez a törvény az energia megmaradásának elvét fejezi ki, mert a maximális frekvenciánál (minimális hullámhossznál) az elektron E = ev energiája teljes egészében a röntgenkvantum E = hν energiájává alakul át. A folyamatot fordított (inverz) fotoelektromos effektusnak is hívják.

Fékezési sugárzás: teljesítmény és hatásfok A teljes energia (vagy stacionárius esetben teljesítmény) a görbe alatti terület: Fejezzük ki E max ot az anódfeszültségből: 0 N Wtotal de E N Helyettesítsük a függvényt egyenessel: const Z E E és számítsuk ki az integrált (a háromszög alatti területet): P P total invested c Rtg W Z I total I anode const Z anode V V anode 2 anode E max 0 c E Rtg max max 2 max E EdE const Z 2 Z V anode 2 Wtotal const/2 Z e V A teljes teljesítmény az anódba időegység alatt beérkező elektronok számával, azaz az anódárammal egyenes arányban növekszik: 2 Ptotal crtg Z IanodeVanode E 2 anode Itt Z az anód anyagának rendszáma, V anod a gyorsító feszültség, I anod az anódáram és c Rtg 1.1 10-9 V -1. A teljes (emittált) teljesítmény az anódfeszültség négyzetével arányos. A röntgensugárzás keltésének hatásfoka: Volfram anódra V anod = 100 kv feszültségnél η 0.008 < 1%. Az energia főként hővé alakul.

rendszám A nehezebb elemeknek akár 3 vonaluk is van. Karakterisztikus sugárzás: Moseley törvénye Moseley a karakterisztikus röntgensugárzás K-sorozatának frekvenciáját mérte az anód anyagának (rendszámának) függvényében (Ca-tól Zn-ig). A különböző elemek karakterisztikus sugárzásának hullámhosszait az elemek rendszámai szerint lehetett rendezni. A könnyebb elemeknek 2 vonaluk van. frekvencia négyzetgyöke Lineáris összefüggés adódott az anód anyagának elemszáma (rendszáma) és a karakterisztikus sugárzás frekvenciájának négyzetgyöke között.

Moseley törvénye, mint empirikus törvény k1 Z k 2 ahol ν a röntgensugárzás fő (vagy K) vonalának frekvenciája, k 1 és k 2 állandók, amelyek a spektrumvonal típusától függnek, és Z az elem rendszáma. Például: k 1 = k 2 valamennyi K α vonalra, ezzel a kifejezés egyszerűbben felírható: ν = 2.47 10 15 (Z - 1) 2 Hz

Moseley törvénye, mint a Bohr atommodell (energiarendszer) következménye A karakterisztikus röntgenvonalakat két energiaszint közötti átmenet következményeként is leírhatjuk, hasonlóan ahhoz, mint ahogy az optikai spektrumvonalakat a hidrogénatomban a Bohr modell alapján származtattuk. A röntgenátmenet hullámszáma (a hullámhossz reciproka): 1 2 1 1 R Z 1 2 2 nf ni ahol R a Rydberg állandó (1,097 10 7 m -1 ), Z az elem rendszáma, n a főkvantumszám, amelynek indexében f ill. i a végső ill. a kezdeti állapotot jelölik és σ egy állandót ( 1) jelent. Mivel a röntgensugárzásért felelős elektronátmenetek az atom legbelső elektronhéjain következnek be, Kezdet (i) Vég (f) ezért Z (az atommag elektromos töltése) erős befolyással bír a spektroszkópiai termekre (energiaszintekre). Emiatt jelenik meg Z a Moseley kifejezésben, noha az optikai spektroszkópiai termekből hiányzik (lásd a Balmer összefüggést).

Probléma A röntgencső céltárgya króm (Cr), a gyorsító anódfeszültség 60 kv. Vázolja fel a cső röntgensugárzásának spektrumát, és jelölje meg a karakterisztikus sugárzás K α és K β vonalait, valamint a fékezési sugárzás hullámhosszának minimumát (λ min )! Megoldás A króm karakterisztikus röntgensugárzásának K β és K α vonalai a fékezési sugárzás folytonos spektrumára ülve jelennek meg. Ki is számíthatjuk a K α vonal hullámhosszát és a fékezési sugárzás hullámhosszának minimumát (λ min ). A 24 Cr elemnek Z = 24 a rendszáma. A K α vonal hullámhosszát a Moseley-összefüggésből határozhatjuk meg: λ Kα = c/ν = (3 10 8 m/s)/[2,47 10 15 (Z-1) 2 1/s] = 230 pm. A fékezési sugárzás legkisebb hullámhosszát a Duane-Hunt eltolódási szabály alapján számolhatjuk ki: λ min = hc/(ev) = 20,7 pm. A röntgensugárzás intenzitása Karakterisztikus vonalak λ min Folytonos spektrum

Röntgen-fluoreszcencia (X-ray fluorescence, XRF) Hevesy György röntgensugárral (és nem elektronokkal) gerjesztett karakterisztikus röntgensugárzást, mint ahogy fénnyel gerjesztünk fluoreszcenciát (innen is az elnevezés). A mért karakterisztikus röntgensugárzásból a minta elemösszetételét lehet meghatározni. Később neutron-bombázáson alapuló (neutron-) aktivációs analízist vezetett be, amely érzékenyebbnek bizonyult a röntgenfluoreszcencia módszerénél. Hevesy György 1943-ban kémiai Nobel díjat kapott az izotópos jelölési technika bevezetéséért a kémiai és biológiai folyamatok kinetikai vizsgálatában. Ő volt az első, aki a radioaktív izotópokat jelölésre vezette be a biológiában, majd később a nukleáris orvostudományban. Típikus röntgen-fluoreszcencia (XRF) spektrum. Vegyük észre a rendszámok folyamatos növekedését balra haladva.

PIXE: Részecskével kiváltott röntgenemisszió (részecske) röntgensugárzás PIXE: particle-induced X-ray emission Alfa-sugarakkal (vagy protonokkal) való bombázás nagyon sok anyagban az atomok belső elektronhéjaiban röntgenátmeneteket vált ki. A karakterisztikus röntgensugarak az atomok energiaszintjeiről adnak felvilágosítást, így az ismeretlen összetételű mintában az atomok azonosítására használhatók fel.

A röntgensugarak elhajlása (diffrakciója) HULLÁM + KRISTÁLY DIFFRAKCIÓ Ha fényhullám atomok (molekulák) szabályos térbeli elrendezésén (hálózatán), azaz KRISTÁLYon halad keresztül, akkor elhajlik, és interferencia-jelenség lép fel. Ez meg is fordítható: ha a sugárzás kristályon áthaladva elhajlási jelenséget mutat, akkor a sugárzás hullám-tulajdonságú, és nem részecskékből áll. Max von Laue kísérlete: a röntgensugárzás sókristályon áthaladva interferencia-képet mutatott, amely egyrészt annak bizonyítéka volt, hogy a sókristály szabályos szerkezetű (ez akkor nem volt általánosan elfogadott), másrészt a röntgensugárzás nem részecskékből áll, hanem hullám.

Minden fekete pont (ú.n. reflexió) a kristályrács atomjain szóródó (elemi) röntgenhullámok összeadódó erősítéséből (interferenciájából) keletkezik. A megfigyelt interferenciakép a kristály szerkezetére jellemző, ezért annak (bonyolult eljárással történő) meghatározására lehet felhasználni.

Bragg diffrakciós törvénye és a NaCl kristályszerkezete A Laue-féle diffrakciós képeket a hullámnak a kristálysíkokon való (formális) visszaverődés eredményének is tekinthetjük. L. W. Bragg a platine (Pt) L α karakterisztikus röntgensugarainak NaCl kristályon való elhajlását tanulmányozta, és arra a következtetésre jutott, hogy a kristály rácspontjaiban Na + és Cl - ionok (és nem NaCl molekulák) ülnek. A beeső hullámot minden rácspont szórja, és a megfigyelhető interferencia-kép ezen szórt elemi hullámok szuperpozíciója. Abban az irányban kapunk erősítést, amelyre Bragg törvénye fennáll: 2 d sin n n Erősítés csak abban az irányban lehetséges, amelyre a rétegekről szóródó hullámok közti útkülönbség a hullámhossz egész számú (n) többszöröse. 0,1,2,... ahol d két szomszédos krisztálysík távolsága és Θ a beeső λ hullám-hosszúságú sugárzás iránya és a kristálysík által bezárt szög. A felső és az alatta levő rétegről szóródó hullámok közti útkülönbség: 2d sinθ

Kristálysíkok, diffrakció és Bragg törvény elemi cella szórócentrumok hálózati sík hálózati sík hálózati sík Visszaverődési kristálysíkok (sraffozott területek) egyszerű (köbös) kristályban Kétatomos molekulákból felépülő köbös kristály: minden rácspontban két szórócentrum van. Bragg-visszaverődés a kétatomos molekulákból felépülő köbös kristályrács felületeiről jól meghatározott irányokban.

Diffrakciós kép Röntgenkrisztallográfia Fázis-probléma: a találkozó hullámok eredő intenzitás-viszonyait (és ebből az összetevők amplitúdóit) tudjuk közvetlenül mérni, de sajnos a hullámok közötti fázis-viszonyok rejtve maradnak. Vannak azonban módszerek, amelyekkel a fázis-információt (korlátozottan) ki tudjuk nyerni. Elektronsűrűségi térkép 1) Fourier-transzformáció; Fourier-finomítás, 2) Többszörös izomorf (nehéz atom) helyettesítés jól meghatározott helyeken, 3) Már ismert szerkezetű fehérjékkel (biomolekulákkal) való közvetlen összehasonlítás 3D szerkezet Goniométer Reakciócentrum-fehérje fotoszintetizáló baktériumból; ~100 kda savas, bázikus, hisztidin.

Röntgen-krisztallográfia: milyen a DNS szerkezete atomi feloldásban? Az 1950-s évek elején James Watson és Francis Crick (Cambridge Egyetem) javasolták a (B-)DNS kettős hélikális szerkezetét, amelyet a 20. század legnagyobb jelentőségű biológiai felfedezésének tartanak. Erre a legelső és legfontosabb bizonyítékokat a röntgenkrisztallográfiai mérések adták. A szokatlan DNS struktúrák (Holliday kapcsolódások) kulcsszerepet játszanak a roncsolódott DNS önjavító képességében, amely a biomedicinában is alkalmazásra talál. Alapvetően fontos a gének biológiai működését (mint pl. a genetikai kifejeződést, a DNS mutációit és javító-mechanizmusait) megérteni. Emellett a DNS szerkezetének megértése is lényeges: pl.egyes DNS szerkezeteket miért különösen könnyű károsítani vagy bennük mutációt létrehozni. A DNS szerkezetének megértése legalább annyira fontos, mint a génszekvencia ismerete. A humán genom program (azaz a teljes emberi genom genetikai szekvenciájának megismerése) csak az érem egyik oldala. A másik oldal a különböző típusú DNSek három dimenziós szerkezetei, amelyek ezeket a szekvenciákat (és így végül a biológiai funkciót is) meghatározzák.

A röntgensugárzás anyagbeli gyengülése (elnyelése): a Beer-törvény A röntgensugárzás anyagba hatolva fokozatosan, a távolsággal (a behatolási mélységgel) exponenciálisan gyengül: I I 0 e x ahol I 0 az abszorbens felületére merőlegesen beeső sugárzás intenzitása, x a homogén réteg vastagsága, I a sugárzás intenzitása, miután áthaladt, és elhagyja a réteget, valamint μ a gyengítési (abszorpciós) együttható, amely magában foglalja az abszorbens (pl. szövet) anyagi tulajdonságait és kölcsönhatását a sugárzással. I 0 0 Felezési rétegvastagság az a távolság, amelyen áthaladva a sugárzás intenzitása a beeső intenzitás felére csökken: I x H = (ln 2)/μ Tömeggyengítési együttható: μ m = μ/ρ az abszorbens anyagának sűrűségre (ρ) vonatkoztatott értéke. - di(x)=μ I(x)dx ln I/I 0 meredekség: -μ x μ x

Röntgen kvantum energiája E (MeV) levegő Z = 7,78 ρ = 0,0012 Tömeggyengítési együttható μ/ρ víz Z = 7,51 ρ = 0,9982 (cm 2 /g) zsír Z = 6,46 ρ = 0,92 izom Z = 7,64 ρ = 1,04 csont Z = 12,31 ρ = 1,65 0,01 5,12 5,329 3,268 5,356 28,51 0,1 0,1541 0,1707 0,1688 0,169 0,186 1 0,06358 0,07072 0,0708 0,0701 0,0657 10 0,02045 0,02219 0,0214 0,0219 0,0231 20 0,01705 0,01813 0,017 0,0179 0,0207

Lineáris gyengítési együttható A röntgensugár gyengítési együtthatójának energia-függése vízben I (x) = I(0) exp(-μ x) VÍZ Klasszikus szórás k Fotoeffektus Compton-effektus C Pár-képződés A röntgenkvantum energiája

A röntgenkvantumok az elektronokon rugalmasan (energiaveszteség nélkül) szóródnak. Klasszikus szóródás Gyengítési mechanizmusok Külső fotoeffektus esetén az ionizáló sugárzás egy héjelektront szabadít fel. Fotoelektromos abszorpció (fotoeffektus) A Compton-effektus fotonoknak (röntgen kvantumoknak) szabad vagy gyengén kötött elektronokon való szóródása. Compton-szórás Nagy hν >1,02 MeV energiákon a foton egy-egy, ellentett irányban mozgó elektronná és pozitronná alakulhat át az abszorbeáló anyag atommagjainak közvetlen közelében (az atommag Coulomb-terében). Párképződés

A különböző sugárgyengítési mechanizmusok összehasonlítása μ: gyengítési együttható, E: a kvantum energiája, Z: az anyag (kémiai elem) rendszáma mechanizmus Energia-tartomány lágy szövetben Koherens szórás Fotoelektromos abszorpció független Compton-effektus Párképződés

Anyag hullámvonalak = fotonpályák Ionizációs folyamatok fotonbesugárzás hatására A különböző kölcsönhatások áttekintése, amelyekkel az anyagba hatoló foton találkozhat. : fotoeffektus Gamma- vagy Röntgensugarak Párképződés Triplett-képződés Comptonszórás A halszálkák a keltett ionpárok pályáit jelölik. A halszálkák sűrűsége az ionizáció sűrűségét jelzik. : Pár-megsemmisülés Egyenes vonalak = elektron ill. pozitronpályák

Probléma. Ugyanakkora I 0 intenzitású röntgensugárzással világítunk át egy x 1 = 18 cm vastagságú lágyszövetet és egy ugyanilyen vastagságú szövetet, amelyben x 2 = 4 cm vastagságú csont van a lágyszöveti részben. A lágyszövet gyengítési együtthatója μ 1 = 0.19 cm -1, míg a csonté μ 2 = 0.42 cm -1. Mennyi a kilépő sugarak intenzitásainak aránya? Mennyi a csont kontrasztja? Megoldás. Az I 1 és I 2 intenzitások aránya: I1 I0 exp 1 x1 exp 1 2 2 I I exp ( x x ) x 2 0 1 1 2 2 2 ( ) x 2. 5 A radiológiában a háttérszövethez ill. a kérdéses anatómiai szerkezethez tartozó röntgensugárintenzitások relatív különbségét szövet-kontraszt-nak nevezik: C szövet I háttér I I háttér szövet I 1 I 2 x 1 x 2 lágyszövet I 0 I 0 ahol I szövet és I háttér a kérdéses szöveten ill. a (szomszédos) háttérszöveten áthaladó röntgensugárzás intenzitása. Ha a példánkban I 2 -t I szövet re cseréljük, és I 1 et I háttér -re, akkor a csontszövet kontrasztjára C csont = 0,6 adódik. csont

Röntgen számítógépes tomográfia, CT Tomográfia: rétegfelvétel; Számítógépes tomográfia: a rétegfelvételek számítógép segítségével való kiértékelése; Röntgen CT: a hagyományos Röntgen-átvilágítási technika szellemes továbbfejlesztése. Az objektumot vékony röntgensugár-nyalábbal világítják át, és a gyengítési együtthatók nagysága és térbeli eloszlása függvényében az objektum mögött elhelyezett detektor érzékeli az átjutott röntgen nyaláb intenzitását. Egy tojásdad alakú, kisebb áteresztőképességű maggal bíró testet világít át a röntgensugárnyaláb. A háttérben a detektor által észlelt intenzitás görbéje látható. 1979-ben Allen M. Cormack és Godfrey N. Hounsfield orvosi Nobeldíjat kaptak a komputertomográfia kifejlesztésért. A sugárnyaláb körbeforgatásával ugyanebben a síkban átvilágítják a testet, és a mért intenzitásgörbékből kibontakozik az adott síkban (szeletben) elhelyezkedő részletek rajza. A modern CT berendezések egy körülfordulás alatt egyszere több (akár 128) szeletet térképeznek fel. A síkot ezután arrébb tolják, és újra körbeforgatják. Kép rekonstrukció: Hogyan lehet a digitális rétegfelvételekből (röntgensugáráteresztőképességekből) a vizsgált test térbeli szerkezetét megadni?

Képrekonstrukció Az algoritmus alapja: ugyanolyan méretű pixelek esetén az adott irányból megfigyelt eredő gyengítési együttható az egyes pixelekben megfigyelhető gyengítési együtthatók összege. Ez az (exponenciális) Beer-törvény egyszerű következménye. n Bármely sorra ill. oszlopra (ha az n darab, megegyező méretű pixelre van darabolva) a mérhető gyengítési együttható: i i1 Egy 5x5-ös pixel ismert ill. ismeretlen gyengítési együtthatókkal 3 jelzett irányban mért eredő gyengítési együtthatóval. Matematikai (számítógépes) feladat: Többismeretlenes lineáris egyenletrendszer megoldása

Röntgen számítógépes tomográfia, CT

Házi ill. szemináriumi feladatok 1. Mennyi a molibdén (Mo) K α vonalának hullámhossza és fékezési sugárzásának hullámhossz-minimuma, λ min? (Z = 42; a K α vonalra n i = 2 and n f =1; σ =1) 2. Melyik az az elem, amelynek K α sugárzásának hullámhossza λ Kα = 251 pm? (Megoldás: Z = 23, Vanadium) 3. Egy kisülési röntgencső anódja volfram (rendszáma 74). Adja meg a K α (n i = 2) és K β (n i = 3) karakterisztikus röntgensugárzás frekvenciáit! 4. Terápikus célokra olyan elektronokat használnak, amelyeket a betatron 25-45 MeV energiára gyorsít. Mekkora annak a röntgensugárzásnak a divergenciája, amelyet ezek az elektronok keltenek, miután a betatronból való kilépést követően a céltárgyba ütköznek? 5. Mekkora annak a röntgen kvantumnak a maximális energiája, amely egy 10 kv-os kisülési csőben keletkezhet?

Házi ill. szemináriumi feladatok 6. Egy röntgencsőben az anódfeszültség 80 kv, az anódáram 6 ma. Az anód anyaga volfram. a) Mekkora a röntgenkvantum maximális energiája? b) Mi a a röntgen spektrum rövidhullámú határa? c) Mekkora a röntgencső sugárzási teljesítménye? d) Mekkora a röntgensugárzás keletkezésének hatásfoka? e) Mennyi hő termelődik percenként? f) Mekkora az elektron sebessége az anódba való ütközése előtti pillanatban? g) Mennyi elektron ütközik másodpercenként az anódba? 7. A röntgencsőben az anódfeszültséget egy C = 1 μf kapacitású nagyfeszültségű kondenzátor biztosítja. Hány százalékkal csökken az eredeti V = 100 kv anódfeszültség a 2 s-ig tartó és 5 ma anódáramot kívánó kisülés után? Miért szükséges a röntgenkisülés alatt az anódfeszültséget állandó értéken tartani?

Házi ill. szemináriumi feladatok 8. A mellkas röntgen-átvilágítására egy olyan röntgencsövet használnak, amelynek anódfeszültsége V = 80 kv, anódárama I = 5 ma és hatásfoka η = 0.65%. a) Mekkora a röntgensugárzás I 0 intenzitása a cső fókuszpontjától r = 1 m távolságban, ha a röntgencső 2π térszögben (azaz félgömb mentén) egyenletesen sugároz? b) Mekkora az abszorbeált dózis a röntgencsőtől r = 1 m távolságban levő mellkasban a t = 10 s ideig tartó átvilágítás alatt? Tételezzük fel, hogy a mellkas mindenütt egyenletesen vastag (x = 10 cm). Az átlagos gyengítési együttható μ = 0,18 cm -1, és az átlagos sűrűség ρ = 1,05 g cm -3. 9. Mekkora a vér kontrasztja lágyszöveti környezetben? Az aorta sugara x = 1 cm, a vér gyengítési együtthatója 0,215 cm -1, míg a lágyszöveti környezetéé 0,211 cm -1. Mennyire emelkedik a kontraszt, ha jódot keverünk a véráramba, amely a vér gyengítési együtthatóját 0,284 cm -1 értékre emeli? 10. A NaCl kristályrács köbös (kocka) rács, amelyben az elemi cella mérete 5,64 Å. Az elemi cella 4 Na + és 4 Cl - iont tartalmaz. A NaCl sűrűsége 2,163 g cm -3. Számítsuk ki ebből az Avogadro mennyiséget!

Házi ill. szemináriumi feladatok 11. Számítsuk ki az elsőrendű (n = 1) Bragg reflexió szögeit a λ = 154 pm hullámhosszú röntgensugárzásra, ha a hálózati kristálysíkok távolsága a) 500 pm, b) 1 nm és c) 100 nm! 12. A diffrakcióra vonatkozó Bragg-egyenletből az következik, hogy állandó λ hullámhossz esetén a kristálysíkok közötti d távolság fordítva arányos sin Θ-val. Más szóval, az a szórás, amely a legkisebb távolságnak felel meg, sin Θ maximális értékénél (azaz Θ = 90 o -nál) következik be. Mekkora a feloldás elméleti határa (azaz a legkisebb feloldható távolság), ha λ = 154 pm hullámhosszú röntgensugarat alkalmazunk?