Strahlenphysik

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird zunächst eine Einführung in die quantitative Beschreibung von Strahlung gegeben. Darauf aufbauend wird die grundsätzliche Entstehung sowie gezielte Erzeugung von Strahlung behandelt. In Hinblick auf die Relevanz in der medizinischen Anwendung werden hierbei radioaktive Zerfälle und Kernreaktionen, sowie die Erzeugung von Bremsstrahlung und Teilchenstrahlung behandelt. Im dritten Teil werden die Wechselwirkungsmechanismen von Strahlung mit Materie erläutert, welche in der medizin-physikalischen Anwendung eine Rolle spielen. Der letzte Abschnitt zur Messung von Strahlung knüpft direkt an den vorherigen Abschnitt an, da hier die Frage behandelt wird, wie man die zuvor behandelten Wechselwirkungen dazu nutzen kann, Strahlung nachzuweisen.

Aufgaben

1.1

Welcher Dosis entspricht die Erwärmung von 1 K in Wasser (Wärmekapazität $c_{W}\approx 4{,}2\mathrm{kJ}/(\mathrm{K}\cdot\mathrm{kg})$). Welche Dichte von Ionenpaaren wird erzeugt ($W/e\approx 25\,\mathrm{eV}$)? Welchem Prozentsatz entspricht das?

1.2

Die Dosis eines hochenergetischen Elektronenstrahls, der senkrecht auf einen Absorber fällt, steigt – wie auch bei einem Photonenstrahl – zunächst an. Überlegen Sie mit Hilfe der volumetrischen Definition der Fluenz, worin dieser Effekt seine Ursache hat.

1.3

Co-60 zeigt zwei, praktisch gleich wahrscheinliche $\upgamma$-Emissionen bei 1,17 und 1,33 MeV. Oft wird vereinfacht nur mit einer effektiven Energie gerechnet. Wie kann diese berechnet werden?

1.4

Errechnen Sie die Dosisleistung (in Luft) für eine Radonkonzentration (z. B. in einem Bergwerkstollen) von $50\,\mathrm{kBq}/\mathrm{m}^{3}$ (Rn-222, $\upalpha$-Energie 5,6 MeV) in Annahme eines vollständigen Strahlungsgleichgewichtes.

1.5

Warum ist $\upalpha$-Strahlung eines bestimmten Zerfalls immer monoenergetisch, während $\upbeta$-Strahlung bis zu einer maximalen Energie ein kontinuierliches Spektrum aufweist?

1.6

Welchen radioaktiven Zerfall nutzt man bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und welche Strahlungsart wird letztendlich im Tomographen detektiert?

1.7

Welche Strahlungsarten verwendet man in der Teletherapie?

1.8

Die Reichweite für ein Proton mit einer kinetischen Energie von 100 MeV beträgt in Wasser ungefähr 7,8 cm. Schätzen Sie ab, wie groß die Reichweite für einen Helium-Kern (bzw. ein Kohlenstoff-Ion) mit 100 MeV/u und ein 200-MeV-Proton ist.

1.9

Sowohl Röntgenröhren für die Diagnostik als auch Linearbeschleuniger für die Strahlentherapie nutzen die Strahlungsbremsung zur Erzeugung von Photonen. Während beispielsweise in Computertomographen gekühlte Wolfram-Anoden zum Einsatz kommen, muss das Target in Linearbeschleunigern nicht gekühlt werden und kann auch aus leichten Materialien wie Aluminium bestehen – warum?

1.10

Berechnen Sie die masse- und die volumenbezogenen Elektronendichten $\rho_{\mathrm{e}}$ und $\rho_{\mathrm{e}}^{V}$ für die unten genannten Materialien. Was fällt Ihnen auf?

• 1 Wasserstoff ($\rho=8{,}99\cdot 10^{-5}\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}3$)

• 2 Kohlenstoff ($\rho=2{,}25\,\mathrm{g/cm}^{3}$)

• 3 Luft ($\rho=1{,}29\cdot 10^{-3}\,\mathrm{g/cm}^{3}$, $w_{\mathrm{N}}=0{,}755$, $w_{\mathrm{O}}=0{,}232$, $w_{\mathrm{Ar}}=0{,}013$)

• 4 Wasser

• 5 Blei ($\rho=11{,}3\,\mathrm{g/cm}^{3}$)

• 6 Knochen (Hydroxylapatit, Ca${}_{10}$(PO${}_{4}$)${}_{6}$(OH)${}_{2}$, $\rho\,{=}\,1{,}85\,\mathrm{g/cm}^{3}$)

1.11

Welche Aussagen treffen zu?

• 1 Der Soll-Arbeitsbereich einer Ionisationskammer für Anwendungen in der Dosimetrie ist der Sättigungsbereich.

• 2 Für die Referenz-Dosimetrie mit radiographischen Filmen benötigt man nur eine allgemeingültige Kalibrierkurve, da ihr Messsignal unabhängig von der Strahlungsqualität ist.

• 3 Thermolumineszenz-Detektoren basieren auf der prompten Radiolumineszenz.

• 4 Unter „Priming“ versteht man die notwendige Vorbestrahlung von Diamantdetektoren zur sukzessiven Füllung im Material vorhandener „traps“.

1.12

Wie kann man die natürliche Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien wie Silizium bei Raumtemperatur herabsetzen, um sie als sensitive Festkörper-Ionisationskammern in der Dosimetrie zu verwenden?

1.13

Welche Dosimeter eignen sich nicht für die Absolutdosimetrie?

• 1 Fricke-Dosimeter

• 2 Wasserkalorimeter

• 3 Geldosimeter

• 4 Graphitkalorimeter