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Was ist Röntgenschwächung – Definition

Die Röntgenschwächungstheorie beschreibt, wie Röntgenstrahlen durch Materialien geschwächt werden. Die Abschwächungstheorie gilt auch für Röntgen- und Gammastrahlen. Strahlendosimetrie

Unter Röntgenstrahlung , auch Röntgenstrahlung genannt , versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind energiereiche Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von energiearmen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu energiereichen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 16 Hz bis 3 × 10 19 Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Röntgenschwächung

Dämpfungskoeffizienten.
Photonenquerschnitte gesamt.
Quelle: Wikimedia Commons

Während die hochenergetischen Photonen durch das Material laufen, nimmt ihre Energie ab. Dies wird als Dämpfung bezeichnet . Die Abschwächungstheorie gilt auch für Röntgen- und Gammastrahlen . Es stellt sich heraus, dass Photonen mit höherer Energie (harte Röntgenstrahlen) leichter durch Gewebe wandern als Photonen mit niedriger Energie (dh die Photonen mit höherer Energie interagieren weniger wahrscheinlich mit Materie). Ein Großteil dieses Effekts hängt mit dem photoelektrischen Effekt zusammen . Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption ist ungefähr proportional zu (Z / E) 3, wobei Z die Ordnungszahl des Gewebeatoms und E die Photonenenergie ist. Wenn E größer wird, sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung schnell. Bei höheren Energien wird die Compton-Effekt dominant. Die Compton-Effekt ist für verschiedene Energien ungefähr konstant, nimmt jedoch bei höheren Energien langsam ab.

Exponentielle Dämpfung

Angenommen, monoenergetische Röntgenstrahlen werden zu einem schmalen Strahl gebündelt , und der Detektor hinter dem Material erfasst nur die Röntgenstrahlen, die durch das Material hindurchgegangen sind, ohne dass eine Wechselwirkung mit diesem Material vorliegt. Dann sollte die Abhängigkeit eine einfache exponentielle Abschwächung der Röntgenstrahlen sein . Bei jeder dieser Wechselwirkungen wird das Photon entweder durch Absorption oder durch Streuung von der Detektorrichtung aus dem Strahl entfernt. Daher können die Wechselwirkungen durch eine feste Auftrittswahrscheinlichkeit pro Weglängeneinheit im Absorber charakterisiert werden. Die Summe dieser Wahrscheinlichkeiten wird Absorptionskoeffizient genannt :

μ = τ (fotoelektrisch) + σ (Compton)

Gammastrahlenanpassung
Die relative Bedeutung verschiedener Prozesse der Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie.

Absorptionskoeffizient – Röntgenstrahlen

Die Abschwächung von Röntgenstrahlen kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden.

I = I 0 .e -μx

wobei I die Intensität nach der Dämpfung ist, I o die Einfallsintensität ist, μ der lineare Dämpfungskoeffizient (cm –1 ) und die physikalische Dicke des Absorbers (cm) ist.

Dämpfung
Abhängigkeit der Intensität der Gammastrahlung von der Absorberdicke

Die in der Tabelle aufgeführten Materialien sind Luft, Wasser und verschiedene Elemente von Kohlenstoff ( Z = 6) bis Blei ( Z = 82). Ihre linearen Dämpfungskoeffizienten sind für zwei Röntgenenergien angegeben. Es gibt zwei Hauptmerkmale des linearen Dämpfungskoeffizienten:

  • Der lineare Dämpfungskoeffizient nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers zu.
  • Der lineare Dämpfungskoeffizient für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen ab.

Halbe Wertebene

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird . Es gibt zwei Hauptmerkmale der Halbwertsschicht:

  • Die Halbwertsschicht nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers ab. Zum Beispiel werden 35 m Luft benötigt, um die Intensität eines 100 keV-Röntgenstrahls um den Faktor zwei zu reduzieren, während nur 0,12 mm Blei dasselbe bewirken können.
  • Die Halbwertsschicht für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen zu. Zum Beispiel von 0,26 cm für Eisen bei 100 keV bis etwa 0,64 cm bei 200 keV.

Massendämpfungskoeffizient

Bei der Charakterisierung eines absorbierenden Materials können wir manchmal den Massendämpfungskoeffizienten verwenden.  Der Massendämpfungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis des linearen Dämpfungskoeffizienten und der Absorberdichte (μ / ρ) . Die Abschwächung von Röntgenstrahlen kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

I = I 0 .e – (μ / ρ) .ρl

wobei ρ die Materialdichte ist, (μ / ρ) der Massendämpfungskoeffizient ist und ρ.l die Massendicke ist. Die Maßeinheit für den Massendämpfungskoeffizienten cm 2 g -1 . Für Zwischenenergien dominiert die Compton-Effekt und verschiedene Absorber haben ungefähr gleiche Massendämpfungskoeffizienten . Dies liegt an der Tatsache, dass der Querschnitt der Compton-Effekt proportional zum Z (Ordnungszahl) ist und daher der Koeffizient proportional zur Materialdichte ρ ist. Bei kleinen Werten der Röntgenenergie, bei denen der Koeffizient proportional zu höheren Potenzen der Ordnungszahl Z ist (für den photoelektrischen Effekt σ f ~ Z 3 ), ist der Dämpfungskoeffizient μ keine Konstante.

Siehe auch Rechner:  Gamma-Aktivität zur Dosisleistung (mit / ohne Schild)

Siehe auch XCOM – Photonenquerschnittsdatenbank:  XCOM: Photonenquerschnittsdatenbank

Beispiel:

Wie viel Wasserschutz benötigen Sie, wenn Sie die Intensität eines monoenergetischen 100-keV -Röntgenstrahls ( schmaler Strahl ) auf 1% seiner Einfallsintensität reduzieren möchten ? Die Halbwertsschicht für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 4,15 cm und der lineare Dämpfungskoeffizient für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 0,167 cm –1 . Das Problem ist recht einfach und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Wenn die Halbwertsschicht für Wasser 4,15 cm beträgt, beträgt der lineare Dämpfungskoeffizient:Jetzt können wir die exponentielle Dämpfungsgleichung verwenden:Röntgendämpfung - Problem mit der Lösung

Die erforderliche Wasserdicke beträgt also ca. 27,58 cm . Dies ist eine relativ große Dicke und wird durch kleine Atomzahlen von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht. Wenn wir das gleiche Problem für Blei (Pb) berechnen , erhalten wir die Dicke x = 0,077 cm .

Lineare Dämpfungskoeffizienten

Tabelle der linearen Dämpfungskoeffizienten (in cm -1 ) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Absorber 100 keV 200 keV 500 keV
Luft   0,000195 / cm   0,000159 / cm   0,000112 / cm
Wasser 0,167 / cm 0,136 / cm 0,097 / cm
Kohlenstoff 0,335 / cm 0,274 / cm 0,196 / cm
Aluminium 0,435 / cm 0,324 / cm 0,227 / cm
Eisen 2,72 / cm 1,09 / cm 0,655 / cm
Kupfer 3,8 / cm 1,309 / cm 0,73 / cm
Führen 59,7 / cm 10,15 / cm 1,64 / cm

Halbe Wertebenen

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Absorber 100 keV 200 keV 500 keV
Luft 3555 cm 4359 cm 6189 cm
Wasser 4,15 cm 5,1 cm 7,15 cm
Kohlenstoff 2,07 cm 2,53 cm 3,54 cm
Aluminium 1,59 cm 2,14 cm 3,05 cm
Eisen 0,26 cm 0,64 cm 1,06 cm
Kupfer 0,18 cm 0,53 cm 0,95 cm
Führen  0,012 cm  0,068 cm  0,42 cm

Gültigkeit des Exponentialgesetzes

Das Exponentialgesetz beschreibt immer die Dämpfung der Primärstrahlung durch Materie. Wenn Sekundärteilchen erzeugt werden oder wenn die Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. Die Strahlung dringt tiefer in die Materie ein, als es das Exponentialgesetz allein vorschreibt. Der Prozess muss bei der Bewertung der Wirkung der Strahlenabschirmung berücksichtigt werden.

Beispiel für den Aufbau von Sekundärpartikeln.  Hängt stark vom Charakter und den Parametern der Primärpartikel ab.
Beispiel für den Aufbau von Sekundärpartikeln. Hängt stark vom Charakter und den Parametern der Primärpartikel ab.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.