Die Eigenschaften von Röntgenstrahlung und die Absorption in unterschiedlichen Materialien werden untersucht. Außerdem soll die physikalische Bedeutung der unterschiedlichen im Strahlenschutz verwendeten Maßeinheiten vermittelt werden.

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254 Absorption und Dosimetrie von Röntgenstrahlen

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Ziel des Versuchs:

Die Eigenschaften von Röntgenstrahlung und die Absorption in unterschiedlichen Materialien werden untersucht. Außerdem soll die physikalische Bedeutung der unterschiedlichen im Strahlenschutz verwendeten Maßeinheiten vermittelt werden.

Nachzulesen unter:

Röntgenröhre, Bremsstrahlung, Absorption von Röntgenstrahlen, Strahlendosis, Toleranzdosen, Ionisationskammer, Szintillationszähler, Lichtquanten, Photozelle.

Literatur:

Lehrbücher, insbesondere Gerthsen: Physik Verständnisfragen:

x

Was ist Röntgenstrahlung und wie wird sie erzeugt?

x

Was ist die physikalische/biologische Bedeutung der Einheiten - Energiedosis

- Äquivalenzdosis - Energieleistung

x

Gewebe wird einmal mit Photonen und einmal mit Neutronen bestrahlt? Beide mal beträgt die Energiedosis 1 mGr. Bei welcher Bestrahlung ist der biologische Schaden größer?

x

Wie entsteht das Röntgenbild bei der medizinischen Röntgenaufnahme?

x

Wie wird ionisierende Strahlung in einer Ionisationskammer, wie mit einem Szintillator nachgewiesen?

Zubehör: 1 Röntgengenerator Siemens Pleodor 4 mit Röhre SR1 bzw. Elinax 90/20

1 Ionisationskammer im Pb-Gehäuse, (Ionisationsgas: Luft) 1 NaJ(Tl)-Szintillationskristall mit Photozelle

1 Hochspannungsnetzgerät für Ionisationskammer und Photozelle 1 KNICK-Messverstärker bis 10

A

Absorberbleche: Al 2 mm, Cu 0,1mm und Pb 0,05mm

1 Taschendosimeter

Aufgabe:

1.) Die Dosisleistung und die Intensität der Röntgenstrahlung sind als Funktion der Beschleunigungsspannung an der Röntgenröhre zu messen.

2.) Für Aluminium, Kupfer und Blei ist die Absorption der Röntgenbremsstrahlung

in Abhängigkeit der Schichtdicke zu bestimmen.

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Versuchschema:

Prinzipschaltbild des Röntgengenerators

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Dosiskontrolle:

a) Vor Beginn und am Ende der Messungen wird das Taschendosimeter abgelesen und die Dosis notiert.

b) Zuletzt wird das Taschendosimeter für ca. 1 Sekunde der Röntgenstrahlung aus- gesetzt, indem man die Ionisationskammer des Dosimeters, siehe ausliegende Dosi- meterbeschreibung, direkt vor die Blende der Röntgenröhre hängt.

Achtung: Die Röntgenröhre darf nur mit geschlossener Klappe betrieben werden.

Auf gar keinen Fall den grünen Sicherheitsschalter von Hand drücken.

Die angezeigte Dosis ist mit der in der Ionisationskammer gemessenen Dosis zu vergleichen (unter Berücksichtigung der Abstände des Dosimeters vom Brennfleck der Antikathode und der Dicke der Taschendosimeter-Wand von ca. 2 mm Al).

Durchführung:

(siehe auch Anhang: Betriebshinweise zum Röntgengerät)

1. a) Bei 90 kV Anodenspannung der Röntgenröhre und 1 mA Röhrenstrom ist der Strom durch die Ionisationskammer als Funktion der Spannung am Plattenkonden- sator zu messen. Es ist die Spannung zu ermitteln bei der die Sättigung des Ionenstroms erreicht wird. Die Ionisationskammer wird bei den weiteren Messungen mit dieser Spannung betrieben.

b) Der Ionenstrom der Ionisationskammer ist als Funktion der Röntgenröhren- spannung zu messen.

c) Der Photozellenstrom I

ist als Funktion der Röntgenröhrenspannung zu messen.

2. Bei 38 und 90 kV Röhrenspannung sind der Ionenstrom und der Photozellenstrom als Funktion der Al-, Cu- und Pb-Absorberdicken zu messen. Messen Sie zunächst für alle Absorber den Ionisationsstrom bei 38 kV, dann bei 90 kV usw. Notieren Sie auch die Werte ohne Absorber.

Auswertung:

1. a) Der Ionenstrom ist als Funktion der Spannung am Plattenkondensator der Ioni- sationskammer graphisch darzustellen.

b) Die Ionen-Dosisleistung in 50 cm Abstand vom Brennfleck (sog. Röntgenwert) ist aus dem Sättigungsstrom zu berechnen. (Annahmen: Die Kammer sei "dünn"

für Röntgenstrahlen, die Luft habe 0

C, 760 Torr, also U= 1.293 g/l) Die Dosis- leistung ist als Funktion der Röhrenspannung graphisch darzustellen.

c) In dem NaJ (Tl)-Kristall wird die Röntgenstrahlung praktisch total absorbiert.

Man kann die Intensität I aus dem Photozellenstrom I

berechnen.

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I I

A

D

O

h

c

e

(h = Planck'sches Wirkungsquantum, c = Lichtgeschwindigkeit, eo = Elementar- ladung, A = Fläche der Blende; h

c / e

1 . 2398

10

V

m )

Die Intensität I ist als Funktion der Röhrenspannung graphisch darzustellen.

Unter der vereinfachten Annahme gleichmäßiger räumlicher Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung ist der Wirkungsgrad der Röntgenröhre K = Röntgen- strahlungsleistung/Elektronenleistung bei 90 kV abzuschätzen .

2. Auf halblogarithmischem Papier mit 4 Dekaden sind der Ionenstrom und der Photozellenstrom als Funktion der Flächendichte der Al-, Cu- und Pb-Absorber aufzutragen.

Warum gibt es hier keine Geraden wie bei Versuch 253?

Angaben zur Auswertung:

Im Abstand 8 cm (5 cm)

vom Brennfleck der Antikathode befindet sich eine kreis- förmige Blende von Ø = 1 cm (0,8 cm). In der Ionisationskammer hat das Röntgen- strahlbündel die Form eines Kegelstumpfes von 30 cm Höhe, 2.9 cm (3,3 cm) Deck- kreisdurchmesser und 6.6 cm (7,6 cm) Grundkreisdurchmesser. Der Durchmesser in 50 cm Abstand vom Brennfleck ist 6.25 cm (7,25 cm). Die Ionisationskammer absorbiere nur schwach. Die Zahl der Röntgenquanten pro Fläche nimmt in dem Maße ab, wie der durchstrahlte Querschnitt zunimmt. Die Zahl der erzeugten Ionenpaare in einer Kegelstumpfscheibe der Höhe 1 cm ist also überall gleich. Bei der Berechnung der Dosisleistung in 50 cm Abstand ist also das Volumen eines parallel durchstrahlten Zylinders von 6.25 cm (7,25 cm) Durchmesser und 30 cm Höhe einzusetzen.

Vor dem Szintillationskristall befindet sich eine Blende von Ø = 1 cm. Der Abstand vom Brennfleck beträgt 65 cm (60 cm).

Als Ausbeute des Na J(Tl)-Szintillationskristalls setzen Sie an D ⁼ in Licht umgewandelte Energie

absorbierte Energie 0,1

Intensitäts-Maximum des emittierten Fluoreszenzlichtes O

= 410 nm.

Quanten-Ausbeute der Photokathode ' = 0,1 Elektronen/Lichtquant.

*

Die Zahlen in der Klammer gelten für das Elinax-Röntgengerät.

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Betriebshinweise zum Röntgengerät:

a) Röntgengenerator

Pleodor 4 Elinax 90/20

Einschalten durch Rechtsdrehen des Regelknopfes 1 und einregeln der Spannung auf 220 V (schwarze Marke auf dem Messinstrument 4). Betriebs- wähler 2 muss in Stellung o (Durch- leuchtung) stehen. Die Röntgenröhre wird dann geheizt. Durch Drücken des Fußschalters 7 (ganz durchdrücken!) wird bei geschlossenem Deckel die Hochspannung an die Röntgenröhre gelegt. Den Röhrenstrom zeigt Instru- ment 6 an. Durch Änderung der Heizung (Drehknopf 3) kann der Röh- renstrom geändert bzw. nachgeregelt werden. Bei allen Messungen soll der Röhrenstrom genau konstant gehalten werden. Schalter 5 dient zur Wahl der Hochspannung an der Röntgenröhre.

Einschalten durch Rechtsdrehen des Regelknopfes 1 und einregeln der Spannung auf 220 V (schwarze Marke auf dem Messinstrument 4). Danach Drehen des Schlüssels am Schalt- kasten um eine Viertelumdrehung.

Dadurch wird die Zeitschaltuhr, die dem Schutz der Röntgenröhre vor Überlastung dient, eingeschaltet. Beim Auftreten eines Pfeiftons ist der Reset- Knopf ca. 4 Sekunden lang zu drücken. Die Uhr schaltet nach 30 Sekunden Röhren-Betrieb die Hoch- spannung ab und die rote LED blinkt.

Nach kurzer Pause kann weiterge-

messen werden. Durch Drücken des

Fußschalters 7 (ganz durchdrücken!)

wird bei geschlossenem Deckel die

Hochspannung an die Röntgenröhre

gelegt. Der Röhrenstrom ist bei

diesem Gerät fest auf 1 mA eingestellt

und lässt sich nicht ändern. Der

Schalter 5 dient zur Wahl der Hoch-

spannung an der Röntgenröhre.

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Die Röntgenröhren werden mit Wechselspannung betrieben. Am Spannungswahl- schalter 5 ist der Scheitelwert der Hochspannung angegeben.

b) Ionisationskammer

Das Hochspannungsgerät für die Ionisationskammer bzw. Photozelle liefert in Schritten von 400 V die benötigte Spannung. Anschließen des Gerätes an die Ionisationskammer bzw. die Photozelle nur bei ausgeschalteter Spannung. Der Netzschalter des Nano-Amperemeters ist auf der Rückseite des Gerätes. Beim Ablesen des Stroms aufpassen: Wenn der Messbereichumschalter im roten Feld steht, gilt die rote Skala.

c) Photozelle

Die Photozelle wird bei ausgeschalteter Hochspannung an das Netzgerät und das Messinstrument angeschlossen. Zum Betrieb werden 400 V eingeschaltet.

Grundlagen:

(Weitere Informationen finden Sie in dem Abschnitt über Dosimetrie vor Versuch 251)

Wie im Text vor Versuch 251 erläutert wurde, ist heute die Grundeinheit der Dosis die Energiedosis J/kg = Gray (Gy) bzw. die Energie-Dosisleistung Gy/h. Die Energiewirkung ist aber bei allen praktisch vorkommenden Dosisleistungen so gering, dass alle Dosimeter nicht die Erwärmung sondern andere Effekte ausnutzen, z.B. das Schwärzen von Filmen, das Erzeugen von sog. Fehlstellen in Gläsern oder, wie hier bei Versuch 254, das Ionisieren von Gasen. Als Maß kann man also (hohe Dosisleistungen) den Strom in einer Ionisationskammer messen oder (bei kleinen Dosisleistungen) die Ionisationsakte pro Zeit in einem Zählrohr zählen. Zu diesen Ionendosis genannten Größen gehört auch das "Röntgen", das in älteren Büchern noch vorkommt. Daher soll hier auf diese älteren Einheiten eingegangen werden.

Eine Strahlung, die in 1 kg Luft je 1 Coulomb (1 C) positive und negative Ionen (incl. Elektronen) erzeugt, entspricht einer Ionendosis von 1 C/kg. Eine Strahlung, die das in einer Sekunde schafft, hat eine Ionendosisleistung von 1 C/(kg·s) = 1 A/kg.

Alte Einheit: Röntgen/Stunde.

Ein Röntgen (R) war definiert mit einer elektrostatischen Ladungseinheit, erzeugt in 1 cm

Luft bei Normalbedingungen. (1 esL = 333,6 pC; 1 cm

Luft = 1,29 mg.)

1 R = 258 · 10

C/kg 1 R/h = 71.7 · 10

A/kg

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Es gibt auch ältere Einheiten für die Energiedosis bzw. die Äquivalentdosis, nämlich das rd ("rad = radiation absorbed dose") bzw. das rem ("rad equivalent man"), die auf der älteren Energieeinheit "erg" basieren:

1 rd = 100 erg/g = 100 · 10

J / 10

g = 10

J/kg = 10 mGy oder 100 rd = 1 Gy bzw. 100 rem = 1 Sv

Wie vorne erläutert, sind die biologischen Wirkungen von schweren Teilchen (Protonen, Alphateilchen, Neutronen) bezogen auf gleiche Energiedosis höher als bei Elektronen, was durch den Qualitätsfaktor Q berücksichtigt wird. Bei der Angabe einer Dosis in rem ist dieser Faktor schon berücksichtigt.

Eine Umrechnung von Ionendosis in Energiedosis ist nur für die Luft exakt möglich und zwar

1 R = 0,87 rd = 8.7 mGy bzw. 1 C/kg = 33,7 J/kg

Für Wasser ("Weichteile des Körpers") gilt je nach Endenergie der Röntgenstrahlung 1 R = 0.9 bis 1.0 rd.

Diese Quasigleichheit der Zahlenwerte der Dosis in Röntgen und rad erklärt, weshalb man in die Definition des rad einen zusätzlichen Faktor 100 eingeführt hatte. (Für Röntgenstrahlung ist der Qualitätsfaktor Q = 1, d.h. die Zahlenwerte für rd und für rem sind gleich.)

Zur Veranschaulichung: Nach den neuesten Strahlenschutzvorschriften (StrSchV

vom 30.6.89; RöV vom 8.1.87) müssen Anlagen so gebaut werden, dass Unbeteiligte

in der Umgebung durch direkte Strahlung mit nicht mehr als 1.5 mSv pro Jahr

belastet werden (§44 (2) StrSchV bzw. §32 (2) RöV). Die Str.SchV macht dann noch

die Auflage, dass die jährliche Belastung (durch Inkorporation etc.) aus Ableitungen

von radioaktiven Stoffen eine jährliche Effektivdosis von 0.3 mSv nicht über-

schreitet. Die natürliche Strahlenbelastung (z.B. Radioaktivität der Mineralien,

Höhenstrahlung aus dem Weltraum) beträgt in Meereshöhe zwischen 1.0 und 1.5

mSv, in 5 km Höhe ca. das Dreifache. Bei einer Lungenaufnahme wird am Brustkorb

ca. 1 mSv absorbiert. Eine Belastung von 6 - 7 Sv am ganzen Körper innerhalb

kurzer Zeit (1 - 2 Tage) ist trotz Behandlung tödlich.