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Flashcards

2.2 XR-Quellen Standardquellen

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Cards in this deck (64)

  1. 1Standard-RöntgenquellenParameter zur Beschreibung
    Röntgenröhren
    Beschleuniger-Strahlungsquellen
  2. 2Parameter zur BeschreibungHelligkeit
    Intensität
    Fluenz
    Dosis
    Dosisleistung
    Äquivalentdosis
    Fluss
    Brillianz
  3. 3Helligkeitspektrale Strahldichte L_ν=(∂^3 P)/∂A∂ν∂Ω
    bezogen auf Wellenlänge L_λ=c/λ^2 L_ν=(∂^3 P)/∂A∂λ∂Ω
    Bezug zu verwendetem Raumwinkel, vorteilhaft gepulste Strahlungsquellen
  4. 4Întensität- differenziert nicht nach Wellenlänge und Strahlrichtung (abh. von B0,E0)
    - Messung Strahlungsenergie pro Detektorfläche
  5. 5Fluenz- insgesamt aufgetroffene Strahlenergie pro Fläche
  6. 6DosisWirkung Strahlung auf Materie
    D=E_(xr,abs)/M
    [J/kg]=Gy
    1rd=0,01 Gy
  7. 7DosisleistungD ̇=1/M 〖dE〗_(xr,abs)/dt
    [Gy/s]
  8. 8Äquivalentdosis- spezifischer Gewebewichtungsfaktor für biologische Wirkung
    - H=QD [J/kg=Sv]
    - XR: Q=1
    - andere Strahlungsarten: Q=1-20
  9. 9FlussGesamtzahl aller erzeugten Photonen Np pro Zeiteinheit „pro 0,1% Bw“, nur Photonen innerhalb von 0,1 % Wellenlänge
    F=(∂N_p)/∂t(0,1%BW)
  10. 10Brillianz- Größe Quellfläche, oft virtuell (kleinste gemeinsame Querschnittsfläche)
    - hohe räumliche Auflösung (Kohärenz)
    - average/peak
  11. 11Art der Größe- eine Reaktion im Target pro Photon → z.B. Brillianz
    - umgesetzte Energie (E-Feld) → Intensität / verwandte Größe
  12. 12Röntgenröhren Prinzip- Vakuumgefäß: Freisetzung e- an Kathode beschleunigt zu Anode
    - Heizspannung UH →IH≈10 A
    - Beschleunigungsspannung UB: Ekin=30-300keV → IA≈2A
    - <1 % Konversion
    - Kühlung: Drehanode
  13. 13Standardaufbau: Drehanoden-Röntgenröhre:Kathode
    Drehanode
    Achslager
    Motor
    Vakuumsgefäß
    Äußeres Gehäuse
  14. 14Kathode- Elektronenquelle
    - Beschleunigung/Fokussierung e-
    - Quelle: Glühwendel (Wolfram) fast auf Schmelztemperatur erhitzt (T≈2600 °C)
    - Abfall Potenzial entlang Glühwendel
    - Elektronen je nach „Geburtsort“ für Beschleunigung verschieden schnell
    - Temperaturregulation des Elektronenstroms
    - Stromdichte (Richardson-Dushman-Gleichung):
    - glatte Oberfläche (polierte Nadel)
    - becherartige Form (elektrostatische Fokussierung auf kleinen Anodenfleck)
    - Abbildung Glühdraht auf Anodenfläche
  15. 15Drehanode- leitfähiges Material
    - hohe T-Belastbarkeit(fast gesamte Leistung aus Beschleunigungskreis als Wärme)
    - Molybdän-Kern
    - Target (Schicht aus Wolfram 5-10 % Rheniumlegierung (Duktilität,Festigkeit))
    - ausgelegt bis 1000 °C
    - Kühlung durch Abstrahlung (Schwerpunkt im IR)
    - Anodenscheiben (d=10 cm; D=1 cm; Hochleistungsanoden: d=25 cm)
    - andere Materialien:
    o Mammographie: Molybdän,Rhenium
    o Röntgenstrukturanalyse: Kupfer,Molybdän
  16. 16Achslager- Standard-Drehanoden: Spezialkugellager 8000-10000 U/min
    - für jede Belichtungsserie in Rotation und runterfahren
    - Hochleistungsröhren: hydrodynamische Gleitlager
  17. 17Motor- Induktions(Asynchronsmotoren)
    - Stator außerhalb Vakuumröhre → rotierendes Magnetfeld innerhalb
    - Antrieb Rotor (axial Röhre)
    - Rotor auf Anodenpotential, trägt Anodenteller
  18. 18Vakuumsgefäß- Aufrechterhalten Hochvakuum
    - Isolation Anoden-Kathodenpotenzial voneinander
    - Durchlassen XR (gedünnte Austrittsstelle)
  19. 19Äußeres Gehäuse- Bleianteil zur Minimierung von Streustrahlung
    - Wärmetauscher, elektrisch geerdet
    - Fenster: Entnahme, Filterung (Al)
  20. 20Alternative BauformenCrookes
    Coolidge
    Stehanoden-Röhre
    Drehkolben
    Stirnfenster
    Mikrofokus
  21. 21Crookes- Gasentladungsröhre mit Restgas
    - Ionisation, Beschleunigung , Freisetzung
  22. 22Coolidge- evakuiert, Kathode als Glühdraht , definierte Elektronenemission
  23. 23Steh-Anodenröhre- wenig Strahlungsfluss, feststehende Anoden, kompakter
  24. 24Drehkolben- Rotation gesamtes inneres Vakuumsgefäß (erleichtert Kühlung und Wartung)
    - axiale e—Strahl Beschleunigung (Ablenkung externes B-Feld)
  25. 25Stirnfenster- geheizte Kathode ringförmig um Anode
    - e- auf Halbkreisen auf Anodenfläche
  26. 26Mikrofokus- e- verlassen durch Loch Anode
    - Fokus Magnetlinsen (10-50 μm)
    - Materialprüfung, dünne Metallfolien/Strahlen aus flüssigem Metall
  27. 27Elektrische Beschaltung- konstante Gleichspannung für konstant schnelle e- (abh. Energie)
    - Medizin: fehlende Bild- , aber Dosisrelevanz
    - Gleichrichten von Wechselspannungen
  28. 28EinpulsWeglassen negative Hälfte des Zyklus (pos.Halbwellen)
    Röntgenröhre selbst als Diode (Rückzündung)
  29. 29Zweipuls- Diodenbrückenschaltung
    - Hochklappen negativer Halbwellen (stark fluktuierende Gleichspannung)
    - unkritische Anwendungen
  30. 30SechspulsDreiphasenwechselstrom („Drehstrom“)
    6 Maxima pro Zyklus
    Schwankungen: ΔU=U_max-U_min=0.13 U_max
  31. 31Zwölfpuls- Drehstrom
    - 12 Maxima pro Zyklus
    - ΔU=4 %
  32. 32HF-Generator- Netzspannung (1/3 phasig) wird nach der Reihe
    o gleichgerichtet
    o grob geglättet
    o zerhackt (ν=0.5-20 kHz)
    o hochtransformiert
    o gleichgerichtet
    o geglättet
    - ΔU<1%
  33. 33Bremsstrahlungkontinuierliches Spektrum
    theoretische Grenzenergie: λ_min=hc/(eU_B )
    Photonenzunahme zu weicher Seite (Ende durch Fenster)
  34. 34Charakteristische StrahlungInnerschalen-Linienstrahlung
    - Zunahme über Ionisationsenergie
    - Maximum
    - Abnahme
  35. 35Selektion- Wahl Elektronenenergie und Material Anode
    - Hohes Z: mehr Bremsstrahlung
    - Elektronenenergie ≥1 Größenordnung Ionisationsenergie K-e-: mehr Bremsstrahlung
    - e- Energie 2 bis 4 faches Ionisationsenergie: optimale Effizienz charakt. Strahlung
    - Normalrichtung: Bremsstrahlung
    - Isotrop: charakteristische Strahlung
  36. 36Effizienz- Wirkungsquerschnitt Innerschalenionisation
  37. 37Bremsstrahlungsspektrum- Kramersche Regel
  38. 38Schrägstellen Anode im getroffenen Bereich- variierende „Bildschärfe“: mehr zu Kathode (Anode) größere (kleinere)
    - benötigt wird Strahl mit 5-30° Öffnungswinkel, Quelle nicht nur an Oberfläche , bis zu vielen 10 μm im Material (Abschwächung)
  39. 39effektive Quellgröße- Emissionszone normal zu Elektronenstrahl verlassen
    - zentraler Röntgenstrahl 10-25° zu Oberfläche → kleinere effektive Quellgröße (Projektion Quellgröße auf Normalrichtung)
  40. 40heel effect- XR an Kathodenseite intensiver, Anodenseite schwächer
    - dickere Seite Durchstrahlungsobjekt auf Kathodenseite
  41. 41Eigenschaften Teilchen Beschleunier-Strahlungsquellen- e- geringer Masse, leicht an c (β≈1), hohes γ → sehr hohe Intensität emittierter Strahlung
    - in Materie schießen und bremsen
    - auf Kugelbahnen lenken (radiale Beschleunigung)
    - Vorwärtsstreuung wegen relativistischen Teilchen
  42. 42Teilchenbeschleuniger Aufbau- Elektronenkanone, Glühemission, negatives Potential bez. Anode, Vorbeschleunigung (einige 100 keV)
    - LINAC (längere gerade Strecke)
    - elektromagnetische Wellen im Raum reine Transversalwellen
    o normal auf Ausbreitungsrichtung, deshalb nicht für Beschleunigen geladener Teilchen
    o oszillierende Komponenten in Ausbreitungsrichtung
  43. 43Linac: frühero metallene Driftröhren, phasenrichtig mit hochfrequenter Wechselspannung
    o Beschleunigung in Zwischenraum, Umpolen in der Röhre „nicht mitbekommen“
  44. 44Linac: heuteo Mikrowellen-Hohlleiter, von der Seite Mikrowellen eingekoppelt (periodisch)
  45. 45EinstellmöglichkeitenTM-Moden
    Innengeometrie Hohlleiter
    RFQs
    Bunches
    Kopplung in Speicherring
    Kurvenstrecken über B-Felder
  46. 46TM-Moden- B-Feld streng transversal
    - E-Feld longitudinale Komponente (Beschleunigung)
  47. 47Innengeometrie Hohlleiter- Wanderwellen vs. stehende Wellen
  48. 48RFQ- radio frequency quadrupoles
    - kontinuierliche Fokussierung beschleunigter Strahlen
    - optimale Beschleunigungswirkung nur in kurzer Phase des RF-Feldes
  49. 49Buncheskurze e—Pulse
    Dauer: τ_B≈150 ps
    Abstand: τ_d≈3ns
  50. 50Kopplung in Speicherringviele Stunden im Kreis
  51. 51Kurvenstrecken über B-Felder:R=E_kin/ecB
    Bunches komplizierter Struktur
  52. 52weitere Einstellmöglichkeiten:- evakuierte Röhren mit gutem Vakuum
    - beamlines
  53. 53Bremsstrahlung aus TargetsLINAC: Ekin= 5-30 MeV auf Länge 0,5-2m
    Bremsstrahlungskonverter
    (mm dickes Plättchen aus Blei, Gold oder Wolfram)
    (hoch Z da Ausbeute mit Z² skaliert)
    Homogenisierung mit Ausgleichskörper (Absorption im Zentrum , radial nach außen weniger)
    Ende Spektrum bei hν_max=E_kin , Absorption weicher Photonen im Target (Verstärkung durch Aufbreiter-Folien)
    MW: hν≈0.25-0.35 Ekin (gemittelt)
    Konversionseffizienz ≈ 50 % (bei einigen 10 MeV)
  54. 54SynchrotronstrahlungRadialbeschleunigung
    Maß für spektrale Härte
  55. 55Maß für spektrale Härtetypische Frequenz: ω_typ=2π/Δt=(3πcγ^3)/2R
    kritische Frequenz: ω_c=ω_typ/π=(3cγ^3)/2R
    Teilung Spektrum in 2 Hälften mit gleicher Strahlungsleistung
  56. 56RadialbeschleunigungPemm∞γ4∞1/R²
    1. Generation: Kreisbeschleuniger für Teilchenphysik, parasitär als Strahlungsquelle
    Emission Strahlung in tangentialer Richtung innerhalb vollen Abstrahlwinkel
    Dauer Lichtpuls: Δt≈4R/(3cγ^3 )
    Licht mit so hoher Frequenz ≥ 1 Schwingung/Puls
    Lichtpulse härter , desto kürzer Frequenz
  57. 57Wiggler- Elektronen im Speicherring auf Slalombahn in waagerechter Ebene
    - abwechseln nach oben/unten zeigendes Magnetfeld
    - Elektromagneten (λn=20-50 cm)
    - Permanentmagneten (λn=einige cm)
    - Erhöhung abgestrahlter Leistung um 2N (N Periodenanzahl)
    o weitere Erhöhung Intensität
    o Kurven in Wiggler deutlich schärfer
  58. 58Lorentzkraftsinusförmige Bahn
    Larmorradius: r(z)=p/|q|B(z) =(γmβc_0)/|q|B
    stärkste Krümmung bei maximalen B-Feld und maximaler Auslenkung
    maximale Winkelabweichung von der Achse, am Kreuzpunkt des Elektrons mit der Achse
  59. 59UndulatorparameterK=(eB_0)/(m_e c_0 k_n )
    wie viel schiefer zur Achse läuft Elektron maximal, als der momentane Abstrahlwinkel groß ist
    Wiggler: K>>1:
    horizontal: Strahlung in breitem Fächer
    vertikal: Divergenzwinkel 1/γ
  60. 60Undulator- Strahlung im wesentlichen geradeaus
    - K≤1
    - alle Strahlung eines bestimmten e- geradeaus nach vorne
    - Interferenz aller Photonen miteinander (sehr stark durchgängig konstruktiv Interferenz)
  61. 61Abstrahlungbevorzugt bei maximaler Krümmung
    massenbehaftet
    Kurvenbahn
    konstruktiv: Licht in Rechtskurve emittiert bis zur nächsten Linkskurve λ/2 weiter als e-
    Weglänge Elektron Periode: s_e=λ_n (1+K^2/(4γ^2 ))
    Rückstand nach einer Periode: Δs≈λ_n/(2γ^2 )(1+K^2/2)
  62. 62Undulatorbedingungλ=λ_n/(2γ^2 )(1+K^2/2+(γθ)^2)
    Intensität der von e- erzeugten Strahlung nimmt mit (2N)² zu
    Bedingung nur für Photonen desselben Elektrons
    Lichtanteile aller Elektronen addiert, nicht kohärent überlagert
  63. 63Höhere Harmonische- Frequenz und Photonenenergie ungradzahlige Vielfache der Grundwelle
    - gerade Harmonische: gebrochene Symmetrie
  64. 64BandbreiteΔλ/λ=Δν/ν≈1/nN

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User has deleted their subject information Flashcards on 2.2 XR-Quellen Standardquellen, created by Deleted user on 26/09/2017.
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Deleted user · Sep 2017
Updated
Sep 26, 2017
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16
History
  • Created by Tom Schobert · Sep 21, 2017
  • Copied by Tom Schobert · Sep 26, 2017
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