Absorption von Röntgenstrahlung -Halbwertsdicken-

1. Absorption von Röntgenstrahlung-Halbwertsdicken-

2. Inhalt • Das Absorptionsgesetz • Absorption • Monochromatischer Strahlung • Weißer Strahlung • Beispiel: 2,5 mm dickes Aluminium als Filter an Röntgenröhren

3. Absorption von Röntgenstrahlen (Streuquerschnitt in „cm2/g“) • 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

4. Anteile zum Streuquerschnitt von Röntgenstrahlen Die unterschiedlichen Anteile sind nichtlineare Funktionen sowohl der Kernladung als auch der Energie der Strahlung – deshalb sind einfache Abschätzungen nicht möglich. Zur Berechnung des Schwächungskoeffizienten für Strahlung mit Energie 1kEV<W<1000 GeV dient http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html

5. Photoeffekt 106 Röntgen mit 50 kV Ab-sorp-tion in ~1 cm Luft Paarbildung 103 1 Kohärente Streuung 0,1 1 10 100 1000 1.000.000 Compton-Effekt Streuquerschnitt von Kohlenstoff, speziell: Röntgen mit 50 kV Spannung Absorptionskante: Anregung des Kohlenstoffs auf der K-Schale Der Photoeffekt hängt vom Material ab – für medizinisches Röntgen ist Kohlenstoff das wichtigste Element

6. Absorption eines monochromatischen Strahls x cm Materialstärke Einfallender Strahl Intensität I0 Ausfallender Strahl Intensität I Der Absorptionskoeffizient variiert mit der Energie (~1/Wellenlänge) der Strahlung

7. 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“

8. Transmission von 2,5 (3,0) mm Aluminium in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung 2,5 mm Al 3 mm Al Ursprünglich weiße Strahlung mit Energie zwischen 1 und 120 keV enthält hinter dem Al Fenster praktisch nur noch Anteile mit Energie zwischen 25 und 120 keV

9. 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

10. 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 Streuung an Kohlenstoff nach 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

11. Mittlere Eindringtiefe

12. Das Periodensystem der Elemente • Link zum Periodensystem: http://www.chemicool.com/

13. Ein-dring-tiefe in Luft <1 m Betrieb mit 120 kV Mittlere Eindringtiefen als Funktion der Energie für Luft, Wasser, Aluminium, und Blei Die Luftschicht um unserer Erde absorbiert die kosmische Röntgenstrahlung und schützt auf diese Weise die Erdoberfläche vor ionisierender Strahlung

14. Betrieb mit 120 kV 20 m Eindringtiefe in Luft <1 m Luft: Mittlere Eindringtiefe 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

15. Betrieb mit 120 kV 6 cm Wasser: Mittlere Eindringtiefe als Funktion der Energie Die mittlere Absorption unseres Körpers entspricht in etwa der des Wassers

16. Betrieb mit 120 kV 2,5 cm Aluminium: Mittlere Eindringtiefe 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

17. Betrieb mit 120 kV 1/10 mm Blei: Mittlere Eindringtiefe als Funktion der Energie Blei mit 3 mm Stärke schirmt Röntgenstrahlung bis zur Energie 150 keV ab

18. 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 • 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

19. Mittlere Eindringtiefen als Funktion der Energie für Luft, Wasser, Aluminium, und Blei für Photonenenergie zwischen 1 und 1000 keV