4.1II Wechselwirkung zwischen Rأ¶ntgenstrahlen und Wechselwirkung zwischen Rأ¶ntgenstrahlen und Materie

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  • 114 Erzeugung Ünd Eigenschaften von Röntgenstrahlen

    lung" der Anodenatome herrührt. Die Mindestspannung für die Erregung einer Eigen- strahlung, auf die in Abschnitt 4.IIIb näher eingegangen wird, ist verschieden je nach der Art des Elementes. Bei 35 kV Spannung tritt z. B. , wie Abb. 4.37 zeigt, die K- Eigenstrahlung einer Molybdänanode auf, dagegen noch nicht die einer Wolframanode.

    4.1II Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Materie

    a) Schwächung und Sekundärstrahlung

    Zum Nachweis der Schwächung der Röntgenstrahlen beim Durchgang durch eine Materieschicht dient der in Abb. 4.38 angegebene Grundversuch. Es wird angenom- men, daß alle Strahlen des Bündels die gleiche Wellenlänge haben, und ferner, daß sie

    parallel zueinander verlaufen, was sich durch großen Abstand der Schicht vom Röhrenfokus verwirk- lichen läßt. In K befinde sich ein Meßgerät für relative Intensitätsmessungen. Zwischen den Blen- den B1 und B2 ist die schwächende Schicht der Dicke d, z. B . ein Aluminiumblech, eingeschoben.

    :: ~1 ~~~~~~~ s2~=rn=~

    K

    Abb. 4.38 Experimentelle Anord- nung zum Nachweis der Schwä- chung der Röntgenstrahlen beim

    Durchgang durch Materie

    Ohne Schicht wird die Intensität Io, mit Schicht die kleinere Intensität I gemessen. Das Verhältnis I/Io nimmt mit Erhöhung der Schichtdicke stark ab. Zwischen I, Io und der Schichtdicke d besteht der Zusammenhang

    (4.3)

    Die Größe I"' heißt Schwächungskoefjizient und hat die Dimension cm-1. Ersetzt man die Aluminium- schicht durch eine aus Kupfer oder Blei, so findet man, daß das Schwächungsvermögen mit steigen- der Ordnungszahl zunimmt. Andert man die Rönt- genweUenlänge, so wird die Intensitätsabnahme im allgemeinen bei gleichem Material und bei gleich- bleibender Dicke kleiner, wenn die Strahlung kurz- welliger wird. Doch sind hier Ausnahmen möglich. Der Schwächungskoeffizient ~"'• der in Abschnitt

    A.8 genauer definiert ist, hängt somit von der chemischen Zusammensetzung der schwächenden Substanz und der Wellenlänge ab. Da die Schwächung durch die Zahl der Atome in der von der Röntgenstrahlung durchsetzten Schicht bestimmt wird und um so größere Werte an:irimmt, je dichter die Verteiluna der Atome ist,

    0

    ergibt sich für I"' bei gleicher Atomart auch noch eine Abhängigkeit von der Dichte. Um diese auszuschalten, dividiert man den linearen Schwächungskoeffizienten !"' durch die Dichte e und nennt den Quotienten 1"'/ e Massenschwächungskoefjzient. 1"'/ e gibt die relative Schwächung der auffallenden Röntgenintensität in einer Schicht- dicke von 1 gfcm2 wieder (vgl. Abschnitt A.8). Das entspricht dem Bruchteil der Röntgenstrahlenintensität, der .einem Strahlenbündel von 1 cm2 Querschnitt von 1 g Materie entzogen wird. Zahlenangaben für 1"'/ e finden sich in Tab. 4.3. Bei leicht-

  • Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Materie 115

    atomigen Stoffen und kurzwelligen Röntgenstrahlen sinkt ft/ e weit unter 1, während (. bei langwelligen Röntgenstrahlen und Atomen hoher Ordnungszahl, z. B. Blei, Werte von mehreren 1000 erreicht werden. ·

    Ein anschauliches Maß für das Durchdringungsvermögen einer Röntgenstrahlung ist die Halbwertsschicht. Sie ist definiert als diejenige Schichtdicke eines Stoffes, welche die Intensität gerade auf die Hälfte schwächt. Die Größenordnung der Halbwerts- schichten im Wellenlängenintervall zwischen 0,1 und 0,01 A beträgt für Luft 40 bis 100 Meter, für Wasser 4 bis ll Zentimeter und für Kupfer 3 bis 15 mm. Wellenlängen größer als 1 A treten aus den üblichen Röntgenröhren, wenn sie nicht besonders durch- lässige Fenster besitzen, nicht mit merklicher Intensität aus. Genaue Angaben über Halbwertsschichten homogener Röntgenstrahlen in Luft, Wasser, Aluminium, Kupfer und Blei enthält Tab. l.l. Halbwertsschichten technischer Röntgenstrahlungen sind

    Tab. 4.3 Massen-Schwächungskoeffizienten ft/e verschiedener Elemente in Abhängigkeit von der Wellenlänge (nach Messungen von ALLEN, READ u. CuYKENDALL)

    ÄA I c I 0 Al I Fe I Cu I Zn I Ag I Pb 1,93 8,8 22 94 71 96 ll5 410 420 1,54 4,5 ll,2 49 328 50 59 225 230 1,00 1,37 3,15 14,1 101 130 147 73 77 0,71 0,61 1,22 5,22 38,5 51 58 27 140 0,63 0,47 0,90 3,73 27,5 37 42 20 98 0,50 0,315 0,52 1,90 14,0 19,0 21 10,5 53 0,42 0,256 0,372 1,18 8,5 ll,4 12,4 40,5 32 0,26 0,188 0,210 0,40 2,30 3,25 3,55 ll,4 10,0 0,20 0,175 0,183 0,270 1,10 1,59 1,76 5,40 4,9 0,16 0,163 - 0,213 - 0,83 - - - 0,12 0,151 - 0,168 - 0,434 - 1,36 5,15 0,09 0,137 - 0,144 - 0,259 - 0,715 2,49 0,06 0,120 - 0,121 - 0,160 - 0,283 0,90

    in Abhängigkeit von der Röhrenspannung und der Filterung in Tab. 8.2 angegeben. Den Zusammenhang zwischen Halbwertsschicht H und Schwächungskoeffizient ft gibt die Gleichung

    (4.4) . Aus der Kurve in Abb. 4.39 kann das Intensitätsverhältnis I /Io für jede Dicke deiner beliebigen Substanz abgelesen werden, wenn deren Halbwertsschicht H bekannt ist. Für die Schichtdicke d = 6,0 mm einer Substanz mit einer Halbwertsschicht von H = 4,5 mm ist d/H = 1,33 und somit nach Abb. 4.39 I /Io = 0,40. Bei einer Verdop- pelung derSchichtdicke-wird d /H = 2,66 und I /Io = 0,16.

    Bei einem zweiten Grundversuch (Abb. 4.40) wird das Strahlungsmeßgerät K außerhalb des primären Röntgenbündels, das eine Wellenlänge von 1 A besitzen möge, aufgestellt und seitlich durch einen Bleischirm S abgedeckt. Die Materieschicht ist nur auf der Einfallsseite der Röntgenstrahlung mit einer Blende B1 bedeckt. Obwohl das Meßgerät nicht von der primären Röntgenstrahlung getroffen wird, zeigt es einen Ausschlag. Das beweist, daß von der durchsetzten Materieschicht, z. B. Aluminium,

  • 116 Erzeugung und Eigenschaften von Röntgenstrahlen

    eine Strahlung ausgeht, die sich auch seitlich ausbreitet. Diese Sekundärstrahlung des Aluminiums hat im Bereich der Diagnostikstrahlungen die gleiche Qualität wie die

    ~0

    qg ~ 0

    0,4

    1\ \

    ""' '\ ~

    '

    ~ ~ 1

    0,8

    f-

    0 0 1

    ------r--- J

    Abb. 4.39 Relativänderung der Strahlungsintensität als Funktion der auf die Halb- wertsschicht bezogenen Dicke einer beliebigen Substanz

    J

    Abb. 4.40 Experimentelle Anordnung zum Nachweis der sekundären Rönt-

    genstrahlung

    auffallende Röntgenstrahlung. Sie entsteht durch Ablenkung der primären Röntgenstrahlen und wird Streustrahlung genannt. Ersetzt man das Aluminium z. B. durch Kupfer, so beobachtet man noch eine zweite Sekundärstrahlung, deren Qualität für das Kupfer charakteristisch ist und die "charakteristische Eigenstrahlung" genannt wird. Daß man bei der Aluminiumschicht nur eine mit der Primärstrahlung übereinstimmende Streustrahlung beobachtet, hat seine Ursache darin, daß die entstehende Aluminiumeigen- strahlung sehr langwellig ist und daher in Luft außerordentlich stark absorbiert wird.

    Bei Wiederholung der beschriebenen Ver- suche im Vakuum wird ferner gefunden, daß aus der Materieschicht auch Elektronen nach allen Richtungen hin austreten. Diese besitzen je nach Meßrichtung verschieden große Energien und werden als Sekundärelektronen bezeichnet. Die sekundäre Röntgenstrahlung und die emit-

    tierten Sekundärelektronen werden beide unter dem Sammelbegriff Sekundärstrah- lu,ng zusammengefaßt. Nur ein Bruchteil der in einer Materieschicht abgegebenen Röntgenstrahlenenergie findet sich jedoch als Energie der Sekundärstrahlung wieder. Der größte Teil verbleibt in der Schicht und wird dort absorbiert.

  • Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Materie 117

    Nach dieser qualitativen Einführung sollen nun die einzelnen Faktoren genaurr besprochen werden, die die Schwächung der Röntgenstrahlen bedingen. Einen Über- blick über die verschiedenen möglichen Prozesse gibt das Schema in Tab. 4.4. Danach setzt sich die Schwächung aus drei Anteilen, der Photoabsorption, der Streuung und der Paarbildung zusammen. Dementsprechend läßt sich der Schwächungskoeffizient p, in einen Photoabsorptionskoeffizienten T, einen Streukoeffizienten a* und einen Paar- bildungskoeffizienten ~ aufspalten (vgl. Abschnitt A.8):

    ~~ = r + a* + ~ (4.5)

    Tab. 4.4 Übersicht über die verschiedenen Prozesse bei der Schwächung von Röntgenstrahlen durch Materie

    Photoabsorption

    I

    Eigenstrahlung Photoelektron

    Schwächung

    I

    Streuung

    I

    klassische Streuung

    CaMPTON-

    Streuung

    langwelligere Streustrahlung

    I

    CaMPTON-

    Elektron

    Paarbildung

    I

    Elektron Positron

    Vernichtungs- strahlung

    Bei allen drei Prozessen können sowohl Röntgenstrahlen als auch freie Elektronen als Sekundärstrahlung auftreten. Welcher Prozeß überwiegt, hängt von der Energie der Röntgenquanten und der schwächenden Substanz ab. Bei der Photoabsorption über- trägt das Röntgenquant seine ganze Energie auf ein Elektron der Atomhülle und ver- schwindet. Das Elektron wird vom Atom losgelöst und das Atom dadurch ioni~iert. Die anschließende Umgruppierung der Elektronenanordnung in der Elektronenhülle führt zur Emission einer für das betreffende Atom charakteristischen Röntgen trah- lung. Beim Streuprozeß erleidet das Röntgenstrahlungsquant entweder eine Rich- tungsänderung ohne Energieverlust (klassische Streuung) oder eine solche mit Abgabe eines Teilbetrages seiner Energie an ein freies Elektron (CoMPTON-Streuung) . Im letz- teren Falle ist die Wellenlänge der Streustrahlung größer als