Motivation und Versuchsziele
Der Versuch befasst sich mit den Grundlagen einer Untersuchung mittels Röntgenstrahlung. Dabei wird sowohl die Bildgebung als auch das Absorptionsverhalten betrachtet.
Was erfährt man bei diesem Versuch?
In den ersten Versuchsteilen wird deutlich, wie eine Röntgenröhre bedient wird. Dazu gehören die einzustellenden Parameter wie Heizstrom und Beschleunigungsspannung ebenso wie die nötigen Sicherheitsmaßnahmen (Türen schließen, Probenraum aufgeräumt halten). Anschließend wird untersucht, wie die verschiedenen Parameter das entstehende Röntgenbild beeinflussen und dann werden diverse Proben untersucht. Beispielhaft wird gezeigt, wie Kontrastmittel das Bild verändern und wie die Abmessung von verborgenen Implantaten bestimmt werden können.
In der zweiten Hälfte wird genauer die Absorption von Röntgenstrahlung untersucht. Hierbei wird der Versuchsaufbau angepasst, sodass nicht länger ein Bild entsteht, sondern eine Zählrate ermittelt wird. Mit dieser wird bestimmt, welchen Einfluss Material und Dicke auf die Absorption haben.
Abschließend wird noch in Demonstrationsversuchen auf weitere Anwendungen von Röntgenstrahlung eingegangen. So wird mittels Computertomographie ein 3D-Scan einer Probe erstellt und eine Ionisationskammer aufgebaut.
Was sind die Lernziele des Versuchs?
- Bedienung einer Röntgenröhre
- Einfluss von Heizstrom und Beschleunigungsspannung auf das Röntgenbild
- Bildgebung mit verschiedenen Beispielen
- Einfluss eines Kontrastmittels
- Längenbestimmung unter Berücksichtigung des Vergrößerungsfaktors
- Messaufbau zur Absorptionsmessung
- Exponentieller Intensitätsabfall mit zunehmender Dicke
- Materialspezifischer Absorptionskoeffizient
Welche Messverfahren lernt man kennen?
Die Bildgebung an sich ist als ersten Messverfahren zu sehen. Die Helligkeit und der Kontrast können dabei variiert werden. Auch muss der Abstand zwischen Probe und Schirm für die Vergrößerung berücksichtigt werden. Eine Einschränkung des Strahlengangs wird auch betrachtet.
Bei den Versuchsteilen zur Absorption wird ein Aufbau verwendet, der verschiedene "Proben" (genauer gesagt verschiedene Bereiche des Absorbersatzes) in den eingegrenzten Strahlengang bringt und die jeweilige Intensität misst. Durch den Vergleich mit der Intensität ohne Absorber im Strahlengang kann die Absorptionsrate ermittelt werden.
Das Verfahren der Computertomographie stellt eine Weiterentwicklung der Bildgebung dar, bei der die Röntgenbilder aus verschiedenen Winkeln digital erfasst und ausgewertet werden, sodass ein 3D-Scan erstellt werden kann.
Was genau wird wie gemessen?
Das Röntgenbild in den ersten Versuchsteilen entsteht auf dem Fluoreszenzschirm, welcher sich an der Seite des Geräts befindet und von einer Schutzkappe abgedeckt ist. Um in einem hellen Raum etwas erkennen zu können, ist die Verwendung einer Decke oder eines Vorhangs nötig. Auf dem Schirm selbst kann das Bild mit bloßem Auge betrachtet oder abfotografiert werden. Ebenso können Längenmessungen in der zweidimensionalen Projektion durchgeführt werden.
Die Messungen zur Absorption werden mithilfe eines Zählrohrs durchgeführt, welches erfasst, wie viele Photonen in einem bestimmten Zeitraum registriert werden. Dieser Zeitraum wird konstant gehalten, während verschiedene Absorber zwischen Röntgenröhre und Zählrohr gebracht werden. Durch die Absorption der Strahlung im Absorber wird die Strahlungsintensität geringer und aus dem Unterschied kann der Absorptionskoeffizient ermittelt werden.
Warum sind diese Inhalte interessant?
Die Grundlagen zur Entstehung eines Röntgenbildes sind fundamental, denn sie erklären, was in einem Röntgenbild gezeigt wird und auch was nicht erfasst werden kann. Eine Anpassung von Helligkeit und Kontrast gehen mit einer anderen Strahlenbelastung einher und sind auch physikalisch limitiert. Zusätzlich wird aus einer dreidimensionalen Probe eine zweidimensionale Abbildung erzeugt. Dabei kann es zum Verlust von Information oder zu Fehlinterpretationen kommen, wenn nicht berücksichtigt wird, wie die Abbildung erzeugt wird. Die Entstehung des Bildes ist dabei unabhängig von der verwendeten Form der Erfassung, es spielt also keine Rolle ob mit einem Fluoreszenzschirm, einer CCD-Kamera oder einer Fotoplatte gearbeitet wird.
Die Abschnitte zur Absorption veranschaulichen die Abhängigkeit von Material und Dicke. So wird deutlich, warum Abstand bzw. Dicke wichtige Faktoren bei der Reduzierung von Strahlung sind und weshalb mit Schutzwesten aus Blei gearbeitet wird. Überträgt man die Erkenntnisse so wird klar, warum eine dickere organische Probe stärker absorbiert als eine dünne und wieso Knochen dunkler erscheinen als Muskeln.
Der Beispielversuch zur Computertomographie schließlich zeigt auf, wie aus vielen zweidimensionalen Bildern von ein und derselben Probe ein dreidimensionaler Scan erstellt werden kann. Die vormals nicht direkt zugänglichen Informationen (entlang der Strahlungsachse) können so rekonstruiert werden.
Wo kann man die Inhalte im späteren Berufsalltag antreffen?
Untersuchungen mittels Röntgenstrahlung sind in vielen Bereichen ein essentielles Mittel zur nicht-invasiven, zerstörungsfreien Bildgebung. Die Untersuchung von Knochen bzw. Knochenbrüchen ist hier zu nennen ebenso wie die Untersuchung von Gewebe beispielsweise bei der Mammographie. CT-Scans sind das Mittel der Wahl, wenn es nicht um einen Querschnitt, sondern eine dreidimensionale Darstellung von Gewebe geht. Damit ist sie Grundlage für die Radiologie und findet beispielsweise bei der Diagnostik von Gerhin, Skelett oder bestimmten inneren Organen Anwendung. Außerdem ist sie als relativ schnelles Bildgebungsverfahren in der Notaufnahme weit verbreitet.