Røntgenfysik. Vekselvirkning mellem materiale og røntgenstråling. Birgitte Hinge 03. September (Hans Bomholt Rasmussen) Ansv. fysiker for HeMidt

Transkript

1 Røntgenfysik Vekselvirkning mellem materiale og røntgenstråling Birgitte Hinge 03. September 2014 (Hans Bomholt Rasmussen) Ansv. fysiker for HeMidt 1

2 Indhold af strålefysik - gennemgang Det elektromagnetiske spektrum Frembringelse af røntgenstråling? De fysiske principper ud fra en enkel atommodel. Atomets opbygning Bremsestråling Karakteristisk stråling Røntgenspektret Hvad kendetegner røntgenstråling? Karakteristika Svækkelse af røntgenstråling Ændring i røntgenspektret Undervisning i røntgenfysik 2

3 3

4 Røntgenstråling - historie 1895 Conrad Røntgen opdagede den ioniserende stråling, som kunne gå gennem forskellige stoffer 1896 Første røntgenbilleder tages i Danmark 1901 Nobelpris i fysik 1902 Første stråleskader, hudkræft, misfostre 1913 Radiumstation i DK på Frederiks hospital Transportable røntgenapp under 1. Verdenskrig 1934 Strålebegrænsning fastsættes til 500 msv 1960 Strålebegrænsning 150 msv 1972 CT-scanner Haunsfield 1980 Strålebegrænsning 50 msv 1990 Strålebegrænsning 20 msv 4

5 Røntgenapparater - gennemlysning 5

6 6 Røntgenrøret:

7 Knoglemineralscannere Excell Norland GE Hologic 7

8 Det elektromagnetiske spektrum 1 nano meter = 10-9 m = 10 Å (Ångstrøm) Undervisning i røntgenfysik 8

9 Hvordan laver man røntgenstråling Det elektromagnetiske spektrum Undervisning i røntgenfysik 9

10 Frembringelse af røntgenstråling 10

11 Produktion af røntgenstråling Rørstrøm (ma) Glødetråd Rørspænding (kv) I røntgenrøret omdannes elektroners bevægelsesenergi til stråling. Vacumrør Anoden Røntgenstråler Jo større den påsatte spænding (kv) er, jo større bevægelsesenergi (hastighed) får elektronerne. Rørstrømmen (ma): Har betydning for mængden af stråling Rørspændingen (kv): Har betydning for kvaliteten (gennemtrængelighed) af strålingen Undervisning i røntgenfysik 11

12 Produktion af røntgenstråling Man frembringer røntgenstråling ved at accelerere elektroner fra en katode og lade dem kollidere med en anode. I anoden produceres strålingen ved to forskellige atomare processer: Bremsestråling Kontinuerlig spektrum. Maksimumsenergi bestemt af indstillet kv på generator. Karakteristisk stråling Stråling med et bestemt liniespektrum. Strålingsenergien er bestemt af anodemateriale. Et røntgenspektrum består altid af en sum af de to typer spektre Undervisning i røntgenfysik 12

13 Røntgenrør - energiomsætter Anodeoverfladen består af Wolfram (Tungsten) Anoden kan rotere for at fordele varme Opløsningen bestemmes af glødens størrelse og dermed fokus på anoden Anoden modtager energi fra elektronerne og omsætter den til fotonenergi = røntgenstråling Strålekvaliteten (gennemtrængelighed, hårdhed) styres af spændingen og strålemængde styres af strøm og tid 13

14 Røntgenrøret - princip Når højspændingen i et røntgenrør er stor nok udsendes der stråling gennem røntgenrørets vindue 14

15 Røntgenrør katode-anode Den elektriske energi omsættes til kinetisk energi, som omdannes til fotoner og varme Fokus bestemmes af glødens størrelse Gløden opvarmer katoden som udsender elektroner 15

16 Fra elektroner til elektronvolt Indenfor røntgen- og kvantefysik benyttes enheden elektronvolt (ev) 1 ev er den bevægelsesenergi en elektron modtager ved at gennemløbe et spændingsfald på 1V I et røntgenrør med 100 kv højspænding modtager elektronen under forløbet fra katode til anode en energi på ev eller 100 kev. 16

17 Dualismen af den elektromagnetiske stråling Elektromagnetisk stråling kan beskrives på to måder Som bølger (med bestemt bølgelængde og frekvens) Som fotoner (partikel med veldefineret energi) Monochromatisk stråle Bølgeformulering: Alle bølger har samme bølgelænge og frekvens Partikelformulering: Alle fotoner har samme energi Polychromatisk stråle Bølgeformulering: Samling af forskellige bølger der dækker et kontinuum af bølgelænger og frekvenser Partikelformulering: Samling af fotoner repræsenterende et kontinuum af energier Røntgenstråle Polychromatisk stråling Vil typisk blive karakteriseret ved en samling fotoner, der hver især har en bestemt energi Undervisning i røntgenfysik 17

18 Lidt mere om polychromatisk stråling Samling af bølger med hver sin bølgelængde og frekvens Synligt lys (hvidt lys) er polychromatisk Samling af fotoner med hver sin energi Øjet er følsomt overfor synligt lys Kroppen er følsomt overfor røntgenstråling Undervisning i røntgenfysik 18

19 Røntgenstrålingens egenskaber Røntgenstråling dannes, når elektroner med tilstrækkelig stor bevægelsesenergi opbremses i et stof De fotoner der dannes kaldes bremsestråling. Kan ionisere atomer og molekyler Kan give faststofeffekter i et materiale, de trænger ind i, f.eks. fluorescens (f.eks. billed-forstærker) Kan give kemiske effekter i et materiale, de trænger ind i. Virkningen af dette kan ses på: fotografiske film levende væv. 19

20 Røntgenstrålingens egenskaber Bevæger sig i rette linier Er usynlige Spredes i materialer, de trænger ind i Er meget gennemtrængende. Den mængde stråling der slipper gennem en plade af et materiale afhænger af: Tykkelsen og massefylden af pladen Røntgenrørets højspænding og filtrering (strålernes hårdhed). Materialets art (atomnummer) 20

21 Atomet består af kerne og elektroner. Begge dele har betydning for stråling. Kernen anvendes i nuklear medicin. Kernen er involveret i produktion af røntgen fotoner. Men der er elektronerne i skallerne der giver udveksling mellem fotoner og elektroner Mere end 1,800 elektroner svarer til massen af en proton eller neutron. En elektron har en masse på 9.1 x g. Der skal 10.9 x elektroner til vægten af 1 cm 3 vand. (jordens masse er mia. mia. tons) I en 100W lampe løber 5.2 x electroner per second. Jordens omkreds er km) 21

22 Atomets opbygning Atomet består af en positiv kerne, hvorom der kredser én eller flere negative elektroner 16 Protoner Elektroner Atomkernen består af positivt ladede protoner og elektrisk neutrale neutroner 8 Antallet af protoner og neutroner i kernen bestemmer massen af grundstoffet I et ikke ioniseret atom svarer antallet af protoner til antallet af elektroner omkring kernen. Neutroner 22

23 Atomet som et løg Elektronskaller og løg Når man skærer et løg over, kan man se de forskellige skaller, det er opbygget af. Vi kan sammenligne et løg med et atom og elektron skallerne, som elektronerne befinder sig i. Der findes op til 7 elektronskaller omkring kernen i et atom. Der kan være fra 2 til 32 elektroner i skallerne: 2 i første skal (K) 8 i anden skal (L) 18 i tredje skal (M) 32 i næste skal (N) X=2*sqr(n) (n = skal nummer) 23

24 Det periodiske system 24

25 Atomnumre H Navn Tegn elektroner/protoner Hydrogen H 1 Carbon C 6 Nitrogen N 7 Oxygen O 8 Aluminium Al 13 Kobber Cu 29 Molybdæn Mo 42 Wolfram W 74 Bly Pb 82 25

26 Der dannes to slags stråling. Sammenstød med elektronskaller producerer characteristic x-ray photons (fotoner) Sammenstød med kernen producer Bremsstrahlung x-ray photons (fotoner). 26

27 Karakteristisk stråling - Atomets opbygning Atomet består af en positiv kerne, hvorom der kredser en eller flere elektroner i såkaldte elektronskaller. Atomkernen består af positivt ladede protoner og elektrisk neutrale neutroner. I et ikke ioniseret atom svarer antallet af protoner til antallet af elektroner omkring kernen. D.v.s. at atomet er elektrisk neutral set udefra Undervisning i røntgenfysik 27

28 Karakteristisk stråling - Atomets opbygning Kvantemekanikken fortæller, at elektronfordelingen omkring den positive kerne kun kan ske i en ganske bestemt orden. Hver elektron har en bindingsenergi, som er den energi der skal til for at fjerne elektronen helt fra atomet. Elektronskaller Positiv kerne Jo større atomnummer (antal protoner i kernen) jo større er bindingsenergien af de inderste elektroner Jo længere væk fra kernen jo mindre er bindingsenergien Undervisning i røntgenfysik 28

29 Karakteristisk stråling - Atomets opbygning Eksempler Navn Tegn: elektroner/protoner: Hydrogen H 1 Carbon C 6 Nitrogen N 7 Oxygen O 8 Aluminium Al 13 Kobber Cu 29 Wolfram W 74 Bly Pb Undervisning i røntgenfysik 29

30 Karakteristisk stråling - Atomets opbygning Ionisering og excitation Exiteret atom Ioniseret atom Undervisning i røntgenfysik 30

31 Karakteristisk stråling Afbøjet elektron Accelereret elektron Excitation eller ionisering af atom Undervisning i røntgenfysik 31

32 Karakteristisk stråling Henfald Foton Exciteret / Ioniseret atom Undervisning i røntgenfysik 32

33 Bremsestråling -1 Foton Afbøjet elektron Accelereret elektron Atom Undervisning i røntgenfysik 33

34 Bremsestråling - 2 Bremsestråling Indkommen foton Spredt foton 34

35 Hvordan laver man røntgenstråling Bremsestråling - 3 Atomer i anodematerialet (metalgitter) Undervisning i røntgenfysik 35

36 Hvordan laver man røntgenstråling Bremsestrålingsspektrum» Spektrum af bremsestrålingen uden nogen svækkelse af røntgenstrålingen.» Maksimumsenergien i strålingen er bestemt af indstillet rørspænding (kv) Spektrum? kv p Energi Undervisning i røntgenfysik 36

37 Hvordan laver man røntgenstråling Bremsestrålingsspektrum Spektrum af bremsestrålingen uden nogen svækkelse af røntgenstrålingen Spektrum af bremsestråling med svækkelse i røret - virkeligheden Spektrum frembragt af højere kv Når kv øges vil både mængden og energien af strålingen øges kv p 1 kv p 2 Energi Undervisning i røntgenfysik 37

38 Bremsestrålingsprocessen Ved bremsestrålingsprocessen mister elektronen en del af sin kinetiske energi og der skabes samtidig en foton. Processen foregår ikke gradvis, men som en pludselig overgang, et spring. Den nyskabte foton modtager netop den energimængde elektronen mister. Energien kan antage alle værdier fra nul og op til den værdi, elektronens kinetiske energi havde før processen; men små værdier af fotonenergien er de mest sandsynlige. Bremsestrålingsspektret er altså en kontinuert fordeling, der aftager monotont med voksende fotonenergi Elektronstrålen kan også anslå atomerne i anoden (der ofte er lavet af et metal med højt Z, f.eks. wolfram, Z = 74); de kan skabe huller i K-skallen, og som følge heraf udstråles der karakteristisk røntgenstråling. Strålingen fra et røntgenrør består derfor af et kontinuert bremsestrålingsspektrum overlejret af et liniespektrum af karakteristisk røntgenstråling 38

39 Hvordan laver man røntgenstråling Linjespektrum fra karakteristisk stråling Karakteristiske spektrallinjer E 1 E 2 E 3 Energi Undervisning i røntgenfysik 39

40 Hvordan laver man røntgenstråling Røntgenspekteret Det endelige røntgenspektrum: Bremsestråling + Karakteristisk stråling Energi E 1 E 2 kv p Undervisning i røntgenfysik 40

41 Røntgenspektret (1/2) Hvis et atom udsender stråling ved at en elektron hopper til en skal med lavere bindingsenergi, vil fotonen (kvantet) have en bestemt energi Denne stråling kaldes for karakteristisk stråling og hvert grundstof udsender et bestemt energibillede (liniespektrum) Den kontinuerte spektrum (bremsespektret) og det karakteristiske spektrum udgør tilsammen det totale spektrum fra røntgenrøret Energien afhænger af skallernes bindingsenergier. 41

42 Røntgenspektret (2/2) Røntgenspektret ændres, når man ændrer henholdsvis højspænding og filtreringen Ved filtreringen forstås den mængde materiale røntgenstrålerne skal passere fra de forlader anoden til de når patienten Røntgenstrålingen kan beskrives ved dens kvalitet (kv og HVL) og dens mængde (intensitet) Ved strålingens intensitet forstås den kvanteenergi der pr. sek. strømmer gennem 1 cm 2. 42

43 Al 6mm 43

44 Al 3mm Cu 2mm 44

45 Diagnostisk røntgen Ved diagnostiske røntgenkvaliteter (fra ca. 18 kv p til ca. 150 kv p ) er der to processer der giver anledning til energiafsættelse: Fotoelektriske effekt. Compton spredning. 45

46 Hvad kendetegner røntgenstråling Fotoelektrisk Effekt Foton, E fot = h Absorption Fri elektron Neutralt atom Ioniseret atom (Ion) E e = h Eb Undervisning i røntgenfysik 46

47 Compton spredning Fotonen spredes mod en elektron. E fot, ind = h E fot,ud = h Uelastisk stød E e = h h 47

48 Hvad kendetegner røntgenstråling Compton Spredning Fotonen spredes mod en elektron. E fot, ind = h E fot,ud = h Uelastisk stød E e = h h Undervisning i røntgenfysik 48

49 Egenskaber for fotoner Kan gennemtrænge stofområdet uden at reagere med det. Kan reagere med stoffet og blive fuldstændig absorberet ved omsætning af massen til energi. Kan reagere og blive afbøjet fra den oprindelige retning og samtidig aflevere en del af energien. 50

50 Egenskaber for fotoner - fortsat Udbredelsen af fotoner afhænger af det stof, fotonen skal passere. Og stoffet afhænger af atomnummeret således at lave atomnumre lettere lader fotoner passere Udbredelsen afhænger ligeledes af strålekvaliteten fra røntgenrøret således at lave kv ikke lader fotoner passere så let som høje kv Vigtigt er det, at et homogent stof dæmper fotoner lige meget således at dæmpningen pr enhed er den samme. Derved bliver dæmpningen i materialet eksponentielt aftagende Man anvender enheden halv værdi lag for den tykkelse, der er nødvendig for at dæmpe strålingen til den halve værdi. 51

51 Halv Værdi Lag (HVL) En metode til at karrakterisere spektralsammensætningen (hårdheden) af et røntgenbeam. Alu. 52

52 Hvad kendetegner røntgenstråling Forskellige stoffers absorptionsevne Hvilke af understående stoffer absorberer (stopper) røntgenstråling bedst? Luft Vand Bly Knogler Fedt Aluminium Plexiglas Kobber Bløddele i kroppen Friskt blod Cerebrum (hvid substans) Cerebrum (grå substans) Bly Kobber Aluminium Knogler Plexiglas Bløddele i kroppen Friskt blod Cerebrum (grå substans) Cerebrum (hvid substans) Vand Fedt Luft Evnen til at stoppe røntgenstråling øges med stoffets massefylde! Undervisning i røntgenfysik 53

53 Eksempel: 110 kv p, 15 anode, 100 mas 5 mm 1,0 m Perspex LUFT Aluminium 28,4 mgy 36,6 mgy 8,46 mgy Kobber 0,10 mgy 54

54 Hvad kendetegner røntgenstråling Hvordan kan man forandre spektret? Bremsestrålingsspekteret giver stråling med alle energier op til maksimumsenergien bestemt af valgt kv. Den lavenergetiske stråling stopper nemmere når den rammer noget end den højenergetiske stråling. Dette betyder at en større del af den lavenergetiske stråling vil stoppe i patienten og dermed bidrage til øget stråledosis. For at mindske denne effekt kan man filtrere strålingen før den rammer patienten Undervisning i røntgenfysik 55

55 Hvad kendetegner røntgenstråling Effekt på spekteret ved filtrering Øverst vises effekten af den lovpålagte minimumsfiltrering på 2.5 mm aluminium for et almindeligt røntgenrør. Under vises de samme spektre efter de har passeret en patient. (skalaen langs y-aksen er forskellig på det øverste og nederste billede!) Kurveformene er næsten identiske, så her vinder man meget i dosis uden at miste noget i billedkvalitet. Og det betyder? Ufiltreret stråling 2.5 mm Al filtrering Undervisning i røntgenfysik 56

56 Hvad kendetegner røntgenstråling Beam hardening Filtrering fjerner mest af den lavenergetiske ( bløde ) stråling. Dette medfører at gennemsnitsenergien for den filtrerede stråling er højere end for den ufiltrerede. Denne effekt kaldes beam hardening. Udover rørets egenfiltrering findes typisk et antal justerbare Cu og Al - filtrer i lysvisiret Undervisning i røntgenfysik 57

57 Hvad kendetegner røntgenstråling Enkelte karakteristika vdr. røntgenstråling Røntgenstråler kan ikke ses, smages, lugtes eller høres. men røntgenstråler kan ionisere atomer. Røntgenstråler bevæger sig i rette linier drejer ikke sådan lige om hjørner. men røntgenstråler har en god penetreringsevne. Spredes fra det væv de trænger ind i og igennem Den mængde stråling der slipper igennem et materiale afhænger af materialetes type og tykkelse, røntgenrørets højspænding (kv) og filtrering. Intensiteten svækkes med afstanden. (Ligesom at varmen fra en ovn falder jo længere man er fra ovnen) Undervisning i røntgenfysik 58

58 Hvad kendetegner røntgenstråling Svækkelse af røntgenstråling I Intens røntgenstråle Absorberende og Spredende objekt Længde: L Svækket røntgenstråle X = 0 X = L For en monochromatisk røntgenstråle vil antallet af fotoner i strålen langs x-aksen være: N(x) = N(0)*exp(-μ*x) μ er svækkelseskoefficienten μ afhænger af objektet og af fotonenergien I alt fire processer bidrager til svækkelseskoefficienten Fotoelektrisk effekt (Fotonen afleverer alt sin energi til en elektron) Comptonspredning (Fotonen afleverer noget af sin energi til en elektron typisk en valenselektron. Største bidrag i det diagnostiske område) Rayleigh-spredning (Fotonen afleverer ingen energi til elektron) Pardannelse (Intet bidrag i det diagnostiske område) Undervisning i røntgenfysik 59

59 Svækkelse af røntgenstråling Kontrasten i et røntgenbillede opstår fordi forskellige organer (forskellige densiteter) svækker røntgenstrålingen forskelligt Undervisning i røntgenfysik 60

60 Udbredelse 62

61 Filtrering Filtrering i røret 3-5 mm Al Filtrering af røntgenstrålen jordarter Hologic: filterskive/tromle med filtrering for luft, knogle, væv Norland: Filtrering med to detektorer og samarium-filtrering Filtrering af spredt stråling - raster 63

62 K-skallen 64

63 Afstandskvadratloven (1/2) Når elektromagnetisk stråling udbreder sig vil energien (fotonerne) spredes over et stadig større rum Antallet af fotoner der passerer 1 cm 2 vil aftage med kvadratet på afstanden Partikelstråling har en bestemt middelrækkevidde afhængig af deres bevægelsesenergi og det stof de udbreder sig i. 65

64 Afstandskvadratloven 2 C ½ m 1 m 1½ m 2 m 2½ m 3 m Afstand ,3 4,0 2,8 Intensitet 66

65 Dosis terminologi Eksponering Absorberet dosis (D) J/kg - gray (Gy) w R Ækvivalent dosis (H) sievert (Sv) w T Effektiv dosis (E) sievert (Sv) 67

66 Forskellige former for energi 1 cal = 4,184 J 1Gy = 1 J/kg = 1m 2 s -2 68

67 Ioniserende stråling kan skade levende celler Stråling (direkte rute) Stråling (indirekte rute) DNA molekyle Vand Fri radikal Generel/SIS

68 Bestråling af den danske befolkning Årlig middeldosis pr. person 74% naturlig Fødevarer 0,4 msv Radon 2 msv Gamma 0,3 msv Kosmisk 0,3 msv Medicinsk diagnostik 1 msv Generel/SIS 0,0005 msv Erhvervsmæssig bestråling 0,02 msv Nedfald 0,01 msv Tjernobyl 0,01 msv Andet (Stråleterapi ikke medregnet) 26% menneskeskabt SIS

69 Sammenhæng mellem strålerisiko og anden risiko Strålekilde msv Risiko Anden risiko 1 til : meget høj 1 til 10 7: Høj til 100 6: Moderat Ryge 10/dag Tilfældig (40 år gammel) Dosisgrænse (arb.) 1 til 1000 CT abdomen 10 Tilfældig (25 år gammel) 5: Lav Influenza Naturlig Baggrund 1 til Trafikuheld Røntgen ryg 3 bill. 1 Ulykke i hjemmet Colon - 4 bill 4: Meget lav 1 til Mord 0,1 Drukne 3: Minimal Radon Røntgen skulder Jernbane ulykke PA Thorax 1 til ,01 OPG 2: Triviel Flyvning (pr. time) Lynnedslag 1 til Røntgen periferal 0,001 1: Ingen 1 til

70 Blokdiagram 72

71 Isokurve for scanner 73

72 Sikkerhedsafstande Norland mindst 1 m (<0,1 mrem/hour = < 1uGy/time)) Målt på Scanner i 150cm afstand: 70nGy/3 min = 1,4uGy/time (Hologic QDR-2000 <5uGy/hour i 1 m) (Dosisgrænse uden forklæde er 300uSv/år) 74

73 Har vi stadig overblikket??? 75