Absorption von r ntgenstrahlung absorptionsgesetz halbwertsdicken
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Absorption von Röntgenstrahlung Absorptionsgesetz, „Halbwertsdicken“ PowerPoint PPT Presentation


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Absorption von Röntgenstrahlung Absorptionsgesetz, „Halbwertsdicken“. Inhalt. Das Absorptionsgesetz Der Absorptionkoeffizient Der Streuquerschnitt Absorption von Monochromatischer und Weißer Strahlung Halbwertsdicken. Absorption eines monochromatischen Strahls. x cm Materialstärke.

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Absorption von Röntgenstrahlung Absorptionsgesetz, „Halbwertsdicken“

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Presentation Transcript


Absorption von RöntgenstrahlungAbsorptionsgesetz, „Halbwertsdicken“


Inhalt

  • Das Absorptionsgesetz

  • Der Absorptionkoeffizient

  • Der Streuquerschnitt

  • Absorption von

    • Monochromatischer und

    • Weißer Strahlung

  • Halbwertsdicken


Absorption eines monochromatischen Strahls

x cm Materialstärke

Einfallender Strahl Intensität I0

Ausfallender Strahl Intensität I


Der Absorptionskoeffizient

Der Absorptionskoeffizient variiert mit der Energie (~1/Wellenlänge) der Strahlung

Quelle zur Berechnung der Absorptionskoeffizienten und Streuquerschnitte:http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html


Schwächungskoeffizient, Dichte und Streuquerschnitt

  • Der Streuquerschnitt jedesTeilchens enthält vier Anteile:

    • σKohAnregung kohärenter Streuung

    • σPhoto Photoeffekt

    • σComton Compton-Effekt

    • σPaarPaarbildung

  • Diese Effekte führen zur Schwächung („Absorption“) der Strahlung auf ihrem Weg durch Materie

Quelle zur Berechnung der Absorptionskoeffizienten und Streuquerschnitte:http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html


106

103

1

0,1 1 10 100 1000 1.000.000

Wechselwirkung eines Kohlenstoff Atoms mit Röntgenstrahlen durch kohärente Streuung

Kohärente Streuung bei W<500 keV:

Die ganze Ladungswolke schwingt im Takt der einfallenden Strahlung und sendet in „Phase“Strahlung gleicher Energie: „Rayleigh Streuung“ für alle Frequenzen unterhalb harten Röntgenlichts

Paarbildung

Kohärente Streuung

Compton-Effekt

Photoeffekt


106

103

1

0,1 1 10 100 1000 1.000.000

Wechselwirkung eines Kohlenstoff Atoms mit Röntgenstrahlen durch Photoeffekt

Photoeffekt: Ein Photon ionisiert ein Atom, hier: Kohlenstoff

Paarbildung

Kohärente Streuung

Compton-Effekt

Photoeffekt


106

103

1

0,1 1 10 100 1000 1.000.000

Wechselwirkung eines Kohlenstoff Atoms mit Röntgenstrahlen durch Photoeffekt mit Anregung

Photoeffekt an- und hinter der Absorptionskante : Die Energie des Photons genügt zur Ionisation auf einer inneren Schale

Die Lücke wird unter Emission von Fluoreszenz-Strahlung aufgefüllt

Paarbildung

Kohärente Streuung

Compton-Effekt

Photoeffekt


106

103

1

0,1 1 10 100 1000 1.000.000

Wechselwirkung eines Kohlenstoff Atoms mit Röntgenstrahlen durch Comptoneffekt

Compton-Effekt: Elastischer Stoß zwischen Photon und Elektron („Billard“)

Paarbildung

Kohärente Streuung

Compton-Effekt

Photoeffekt


106

103

1

0,1 1 10 100 1000 1.000.000

Wechselwirkung eines Kohlenstoff Atoms mit Röntgenstrahlen durch Paarbildung

Paarbildung: Photon verwandelt sich in Elektron und Positron

Paarbildung

Kohärente Streuung

Compton-Effekt

Photoeffekt


Absorption eines weißen Strahls

In einem „weißen“ Strahl verändert der Absorber die Zusammensetzung des Spektrums, weil der Absorptionskoeffizient μvon der Wellenlänge abhängt

x cm Materialstärke

Einfallender weisser Strahl, Intensität I0

Ausfallender „gehärterer“ Strahl, Intensität I

Im weißen Strahl mit Energie 1 < W < 120 keV werden nieder energetische, langwellige Anteile stärker absorbiert, deshalb enthält die Strahlung nach dem Filter mehr Anteile hoher Energie (mit kürzerer Wellenlänge), die Strahlung wird „härter“


Transmission von 2,5mm Aluminium in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung

2,5 mm Al

Ursprünglich weiße Strahlung mit Energie zwischen 1 und 65 keV enthält hinter dem Al Fenster praktisch nur noch Anteile mit Energie zwischen 25 und 65 keV


Photoeffekt

106

2,5mm Al-Filter

Röntgen mit 65 kV

Paarbildung

103

1

Kohärente Streuung

0,1 1 10 100 1000 1.000.000

Compton-Effekt

Absorption durch ein 2,5 mm Al-Fenster

In Röhren zur Durchleuchtung filtert ein Fenster aus 2,5mm Al die weichen Anteile aus dem Strahl, die einerseits über den Photoeffekt ionisieren, andererseits nicht zur Durchleuchtung beitragen, weil sie schon in dünnen Schichten absorbiert werden


Anwendung: Röntgenröhre mit Al Filter

Heizstrom 4 A

Langwellige Anteile der Strahlung werden schon im 2,5 mm Al Filter absorbiert und nicht erst im durchleuchteten Objekt

2,5 mm Al Filter

120 kV 20 mA


Halbwertsdicke

Nach der „ Halbwertsdicke“ ist die Intensität auf die Hälfte ihres Wertes bei Eintritt in das Material abgeklungen


Wichtige Elemente für die Röntgenabsorption in der Medizin

  • Link zum Periodensystem: http://www.chemicool.com/


Betrieb mit 120 kV

20 m

Bei 10 keV Halbwertsdicke 1 m

Halbwertsdicke in Luft als Funktion der Energie

Die Luftschicht um unserer Erde absorbiert die kosmische Röntgenstrahlung und schützt auf diese Weise das Leben an der Erdoberfläche vor ionisierender Strahlung


Betrieb mit 120 kV

Bei 120 keV: 6 cm

Bei 20 keV Halbwertsdicke 1 cm

Halbwertsdicke in Wasser als Funktion der Energie

Die mittlere Absorption unseres Körpers entspricht in etwa der des Wassers


Betrieb mit 120 kV

Bei 120 keV: 2,5 cm

Bei 20 keV Halbwersdicke 1 mm

Filter: 2,5 mm

Halbwertsdicke in Aluminium als Funktion der Energie

Ein 2,5 cm starker Aluminium Absorber (nicht zu verwechseln mit dem 2,5 mm starken Fenster) dient der Kalibrierung medizinischer Röntgengeräte


Betrieb mit 120 kV

Bei 20 keV Halbwerstdicke 1/100 mm

Bei 120 keV: 1/10 mm

Halbwertsdicke in Blei als Funktion der Energie

Blei mit 3 mm Stärke schirmt Röntgenstrahlung bis zur Energie 150 keV ab


Halbwertsdicken als Funktion der Energie für Luft, Wasser, Aluminium, und Blei für Photonenenergie zwischen 1 und 1000 keV


Zusammenfassung

  • Das Absorptionsgesetz: Die Intensität I0 wird nach einem Weg der Länge d[1/cm] durch Materie mit Absorptionskoeffizienten μ[1/cm] zur Intensität I abgeschwächt - unabhängig vom Aggregatzustand

    • I = I0·exp(-μd)

  • Der Absorptionskoeffizient μ steigt mit der

    • Elektronenzahl und Dichte des Absorbers

    • Bei Energie der Strahlung zwischen 1 und 120 keV mit der Wellenlänge der einfallenden Strahlung

  • Blei absorbiert sehr gut:

    • 3 mm Pb absorbiert Strahlung bis zu 120 keV praktisch vollständig

  • Aluminium

    • 2,5 mm dickes Aluminium

      • absorbiert „weiche“ Strahlung unter 20keV praktisch vollständig

      • ist für Strahlung höherer Energie praktisch transparent

      • ist deshalb Standard-Filter an Röntgenröhren zur Durchleuchtung

    • Ist für Abschirmungen - wegen der Transparenz für Strahlung mit Energie über 20keV - ungeeignet


Einfluss des Aggregatzustandes?

  • Q: Wo bleibt der Einfluss des Aggregatzustandes und der chemischen Bindung bei der Berechnung der Röntgenabsorption?

  • A: An der Röntgenabsorption sind– vor allem – die inneren Elektronen beteiligt

    • Chemischen Bindung und Bindung in unterschiedlichen Aggregatzuständen betreffen die Valenzelektronen


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