254 Absorption und Dosimetrie von Röntgenstrahlen

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254 Absorption und Dosimetrie von Röntgenstrahlen

Zubehör: 1 Röntgengenerator mit Röhre

1 Ionisationskammer im Pb-Gehäuse, (Ionisationsgas: Luft) 1 Hochspannungsnetzgerät für Ionisationskammer

1 Meßverstärker bis 10

A

Absorberbleche: Al 2 mm und Pb 0,05mm

Literatur: Standardwerke der Physik: Gerthsen, Bergmann-Schäfer, Tipler.

Vorbereitung:

Bereiten Sie sich auf die Beantwortung von Fragen zu folgenden

Themen vor: Funktionsweise einer Röntgenröhre. Was versteht man unter charakteristischem, was unter kontinuierlichem Spektrum? Absorptionsgesetz für Röntgenstrahlung, welche Prozesse sind für die Absorption

verantwortlich? Nachweis von Röntgenstrahlen. Flächendichte, Halbwertsdicke, Härtung von Röntgenstrahlen.

Begriff der Energiedosis, der Ionendosis und der relativen biologischen Wirksamkeit.

Verständnisfragen:

• Geben Sie für folgende Größen den Zusammenhang zwischen den Werten vor und hinter einem Absorber der Dicke d an: Energie, Intensität, Anzahl der γ- Quanten.

• Der Absorptionskoeffizient des menschlichen Körpers (Weichteile) entspricht dem von Wasser. Berechnen Sie für monoenergetische Röntgenstrahlung von 100 keV und 50 keV jeweils für d = 1 cm, 5 cm, 10 cm, 20 cm und 30 cm den Anteil der Strahlung, der im Körper stecken bleibt.

Aufgabe:

Messen Sie die Absorption von polychromatischer Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von der Dicke des Absorbers (Aluminium und Blei) bei zwei verschiedenen Röntgenröhrenspannungen. Überprüfen Sie die Härtung der Röntgenstrahlung.

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Versuchsaufbau:

Der vorliegende Versuch befasst sich mit der Dosisleistung einer Röntgenröhre sowie der Absorption der Röntgenstrahlen durch Aluminium und Blei, sowie der Härtung der Röntgenstrahlen durch Absorption. Dazu wird die Strahlung zum Nachweis in eine Ionisationskammer geleitet.

Vor der Kammer können die als Zubehör aufgeführten Blei- bzw. Aluminium-Platten angebracht werden (durch Einschieben in ein Fach), um die Röntgenstrahlung teilweise zu absorbieren.

Die Messung der Ionendosisleistung erfolgt durch Messung des Stromes in der Ionisationskammer (I

)

Im Abstand 8 cm vom Brennfleck der Antikathode befindet sich eine kreisförmige Blende vom Durchmesser Ø = 1 cm. In der Ionisationskammer hat das Röntgenstrahlbündel die Form eines Kegelstumpfes mit dem Grundkreisdurchmesser Ø = 6.6 cm, dem Deckkreisdurchmesser Ø = 2.9 cm und der Höhe h = 30 cm (=

Länge der Ionisationskammer). Das Volumen eines Kegelstumpfes ist V =

2 2

1 1 2 2

1 ( )

3πh r +r r +r

.

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Inbetriebnahme des Ionisationskammer:

a) Netzgerät einschalten, als Betriebsspannung 2800 V wählen. Bei diesem Wert ist sichergestellt, dass alle durch Röntgenstrahlen erzeugten Ionen zum gemessenen Strom beitragen.

b) Prüfen Sie ob das Knick-nA-Meter eingeschaltet ist. Nach Beendigung der Messungen soll dieses Gerät eingeschaltet bleiben. Das nA-Meter zunächst auf einen unempfindlichen Meßbereich (10

A Vollausschlag) einstellen und erst wenn erforderlich die Empfindlichkeit erhöhen. Dies muß bei jeder Einzelmessung beachtet werden.

Inbetriebnahme der Röntgenröhre:

Unimax:

Einschalten der Netzspannung im Hochspannungsgerät mit Hilfe des Mehrstufenschalters in der Mitte des Gerätes. Die Hochspannung hat nur dann ihren Nominalwert, wenn die Netzspannung 220~V beträgt. Abweichung der Netzspannung vom Sollwert kann durch Drehen des Mehrstufenschalters kompensiert werden:

Gerät so einstellen, dass der Zeiger des Messinstruments auf der Grenze zwischen dem rot und dem grün markierten Teil der Skala steht. Mehrstufenschalter nicht betätigen, wenn der Fußschalter gedrückt ist!

Pleodor 4:

Einschalten durch Rechtsdrehen des Regelknopfes links und einregeln der Spannung auf 220 V (schwarze Marke auf dem Meßinstrument ). Betriebswähler (Mitte) muß in Stellung o (Durchleuchtung) stehen. Die Röntgenröhre wird dann geheizt.

Durch Drücken des Fußschalters wird die Hochspannung an die Röntgenröhre gelegt.

Bei angelegter Hochspannung zeigt das Meßinstrument im Hochspannungsgerät den Röhrenstrom an. Dieser wird mittels des Drehknopfs auf die Marke ''1mA'' eingestellt.

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Versuchsdurchführung:

Wichtig: Messen Sie in Ihrem eigenen Interesse sorgfältig, da die Auswertung sonst schwierig bzw. unmöglich wird. Unbefriedigende Auswertungen werden gegebenenfalls zurückgewiesen.

a) Bei 90 kV Röntgenröhrenspannung sind die Absorptionskurven für Aluminium und Blei aufzunehmen, indem der Ionenstrom in der Ionisationskammer in Abhängigkeit von der Al bzw. Pb Absorberdicke gemessen wird. Die Absorberdicke ist durch die Anzahl der Bleche und deren Dicke gegeben. Die Dicke des Al-Absorbers ist von 0-15 Blechen zu variieren, diejenige des Bleiabsorbers von 0-13 Folienträgern.

b) Analog zu a) werden die Al- und Pb- Absorptionskurven für die niedrigere Röntgenröhrenspannung 50 kV aufgenommen. Die Dicken sind hier zwischen 0 und 13 Blechen für Al und zwischen 0 und 6 Folien für Pb zu variieren.

Auswertung:

Zum Verständnis der Form der Absorptionskurven:

Da der Absorptionskoeffizient von der Energie (Wellenlänge) der Strahlung abhängt, schwächt

ein Absorber in einem Strahlengemisch die langwelligen (''weichen'') Komponenten im allgemeinen stärker als die kurzwelligen (''harten'') Komponenten. Durch diesen Vorgang wird der relative Anteil der weichen Komponente stärker reduziert und der mittlere Absorptionskoeffizient µ für das Strahlengemisch wird kleiner. Die Strahlung wird durchdringungsfähiger (härter). Dies führt dazu, dass der Abfall der relativen Intensität als Funktion der Absorberdicke nicht einer Exponentialfunktion folgt.

Als Halbwertsschichtdicke (Halbwertsdicke) s ist die Dicke eines Absorbers

definiert, bei der die Intensität auf die Hälfte herabgesetzt wird. Für ein

Strahlengemisch ist die Halbwertsdicke von der bereits durchsetzten Schichtdicke

abhängig.

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Zu den Messungen a) und b)

• Tragen Sie die gemessenen Ionenströme als Funktion der Anzahl der Platten auf; (halblogarithmisches Millimeterpapier, 5 Dekaden, y-Achse:

logarithimsche Einteilung, unten 10

A, x-Achse: 1 Platte = 1 cm).

Verwenden Sie ein Blatt für die beiden Al-Kurven und ein gesondertes Blatt für die beiden Pb-Kurven. Für die Messung mit Blei-Absorber und Röhrenspannung 50 kV nähern Sie die letzten 4 Meßpunkte, bei den 3 anderen Messungen die letzten 5 Meßpunkte durch Geraden an, welche den ganzen Meßbereich (0 - 15 bzw. 0 - 13 Bleche) abdecken (gehärtete Strahlung).

• Zeichnen Sie in die Diagramme jeweils die erste Halbwertsdicke (d

) und die Halbwertsdicke der gehärteten Strahlung (obige Geraden), und geben Sie die Zahlen in Einheiten cm an.

• Rechnen Sie alle Halbwertsdicken in Absorptionskoeffizienten

um, und entnehmen Sie der Abbildung im Anhang die zugehörigen ''mittleren'' Energien

.

• Stellen Sie die Resultate in einer Tabelle folgenden Aufbaus übersichtlich zusammen.

Röhrenspannung Absorber Ungehärtet (d=0) gehärtet

1/ 2[ ] d cm

2

/ cm

µ ρ ^_ g ^_

  E keV[ ] d1/ 2[cm]

2

/ cm

µ ρ ^_ g

 E keV[ ]

• Entnehmen Sie Ihrem Diagramm diejenige Dicke einer Bleiabschirmung, welche die Strahlung bei 90 kV Röhrenspannung um den Faktor 20 schwächt.

Berechnen Sie das Gewicht einer 1 m

großen Bleiplatte dieser Dicke.

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Anhang: Zur Absorption von Röntgenstrahlen Für die Intensität monoenergetischer Strahlung gilt:

I

= I e

,

wobei d die Dicke des Absorbers und µ den linearen Absorptionskoeffizienten gemessen im m

beschreiben. µ ist um so größer, je ''dichter gepackt '' die Atome im Absorber liegen, d.h. µ ist der Atomdichte proportional. Zur physikalischen Charakterisierung eines Absorbermaterials zieht man daher besser den Massen- absorptionskoeffizienten

heran (

ist die Dichte des Absorbermaterials).

µ ρ/

hängt von der Energie

der Strahlung, der Ordnungszahl Z und der Massen- zahl A des Absorbers ab. Für die Absorption durch Photoeffekt gilt näherungsweise:

4 3

~ 1

Photo

Z

A µ

ρ ν

Die Absorption durch Streuung spielt vor allem für Absorber mit kleinem Z und für hochenergetische Röntgenstrahlung eine Rolle (siehe folgende Abbildung).

Man beachte die starke Energieabhängigkeit des Absorptionskoeffizientenan den

Absorptionskanten.

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