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Über dieses Buch

Das vorliegende Buch ist der zweite, überarbeitete und erweiterte Band einer dreibändigen Lehrbuchreihe zur Strahlenphysik und zum Strahlenschutz. In diesem Band werden die physikalischen und technischen Grundlagen der Strahlungsquellen dargestellt. Jedes Kapitel ist in einen grundlegenden und einen weiterführenden Teil untergliedert. Die weiterführenden Abschnitte können bei der ersten Lektüre ohne Verständnisschwierigkeiten übersprungen werden. Einleitende Überblicke und Zusammenfassungen sowie eine Vielzahl farbiger Abbildungen erleichtern die Orientierung und unterstützen die Wiederholung des Stoffes.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Überblick über die Strahlungsquellen

In diesem Kapitel werden die medizinischen und technischen Quellen ionisierender Strahlung zunächst nach ihrer Verwendung eingeteilt. Im zweiten Abschnitt werden sie dann nach ihrem Herstellungsprinzip und der erzeugten Strahlungsart erläutert.

Hanno Krieger

2. Grundlagen zur Teilchenbeschleunigung und Strahloptik

Da in Medizin und Technik meistens relativistische, also schnelle Teilchen erzeugt und verwendet werden, beginnt dieses Kapitel mit einer Wiederholung der wichtigsten Gleichungen der Relativitätstheorie. Anschließend wird in einem kurzen Überblick das Prinzip der Beschleunigung geladener Teilchen dargestellt. Danach folgt eine Einführung in die Bewegung elektrisch geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern.

Hanno Krieger

3. Elektronen- und Ionenquellen

Jeder Teilchenbeschleuniger und jede Röntgenröhre benötigt eine Teilchenquelle zur Erzeugung freier Elektronen oder Ionen. In diesem Kapitel werden zunächst die üblichen Elektronenquellen dargestellt. Der zweite Teil dieses Kapitels gibt eine kurze Einführung in die Funktionsweise der an Beschleunigern eingesetzten Ionenquellen.

Hanno Krieger

4. Die Röntgenröhre

Nach einer kurzen Einführung werden zunächst die Entstehung der beiden Röntgenstrahlungsarten, der kontinuierlichen Bremsspektren und der diskreten charakteristischen Röntgenstrahlung sowie die Wirkung der Filterung auf die Röntgenspektren erläutert. Nach der Darstellung der Abbildungseigenschaften von Röntgenstrahlern werden die Bauformen moderner Röntgenstrahler vorgestellt. Im letzten Teil des Kapitels wird detailliert auf die physikalisch-technischen Probleme bei der Konstruktion und beim Betrieb von Röntgenstrahlern eingegangen.

Hanno Krieger

5. Gleichspannungsbeschleuniger

Das folgende Kapitel beschreibt die Funktion und den Aufbau der Gleichspannungsbeschleuniger. Diese verwenden statische Hochspannungen zur Beschleunigung geladener Teilchen. Die verschiedenen Beschleunigertypen unterscheiden sich vor allem nach der Methode zur Erzeugung dieser Hochspannungen. Die Beschleunigerstrukturen ähneln sich dagegen bei allen Gleichspannungsbeschleunigern. Gleichspannungsbeschleuniger haben auch heute noch eine Bedeutung als Injektoren für Hochenergiebeschleuniger, als Nuklid- bzw. Neutronengeneratoren und als Strahlungsquellen für die Materialbearbeitung und Forschung.

Hanno Krieger

6. Hochfrequenzgeneratoren

Wegen der hohen Leistungsanforderungen in hochfrequenzbetriebenen Beschleunigern werden besonders leistungsfähige Generatoren für die Hochspannung bzw. die Hochfrequenz benötigt. In diesem Kapitel werden der Aufbau und das Funktionsprinzip der heute wichtigsten Hochfrequenzgeneratoren, des Magnetrons und des Klystrons, erläutert.

Hanno Krieger

7. Hohlwellenleiter und Hohlraumresonatoren

In diesem Kapitel wird eine kurze Einführung in die physikalischen Grundlagen und die Terminologie von Hohlraumstrukturen gegeben, soweit diese für das Verständnis der Strukturen von Linearbeschleunigern benötigt werden.

Hanno Krieger

8. Linearbeschleuniger

Nach einem Überblick über die Arten der Linearbeschleuniger werden die historischen und die heute verwendeten Linearbeschleuniger dargestellt. Ein besonderes Kapitel behandelt die Prinzipien der HF-Elektronenlinearbeschleuniger, die in Medizin und Technik eine überragende Bedeutung haben. Die Besonderheiten der medizinischen Elektronenlinearbeschleuniger werden ausführlich in Kap. 9 besprochen.

Hanno Krieger

9. Medizinische Elektronenlinearbeschleuniger

Die medizinischen Anwendungen der heute weit verbreiteten Elektronenlinearbeschleuniger erfordern sehr spezielle Konstruktionsmerkmale und eine hochgradige Automatisierung der Anlagen für einen sicheren Patientenbetrieb. Nach einer kurzen Beschreibung der Anforderungen an die medizinischen Beschleuniger wird deren prinzipieller Aufbau erläutert. In den weiteren Kapiteln wird über den Elektronenbetrieb, den Photonenbetrieb und anschließend über die Strahlenschutzprobleme an medizinischen Linearbeschleunigern berichtet. Den Abschluss bildet die Darstellung einer Sonderform eines medizinischen Linearbeschleunigers.

Hanno Krieger

10. Ringbeschleuniger

Ringbeschleuniger sind Wechselspannungsbeschleuniger. Sie benötigen wegen der ringförmigen Teilchenbahnen magnetische Führungsfelder für die beschleunigten Partikel. Sie unterscheiden sich je nach räumlicher und zeitlicher Variation der Magnetfelder, der Frequenz der Beschleunigungsfelder und nach dem Beschleunigungsprinzip. In diesem Kapitel werden nach einer Darstellung des "historischen" Betatrons, vor allem die heute in Medizin, Technik und Wissenschaft wichtigen Zyklotrons, Mikrotrons und das Synchrotron erläutert.

Hanno Krieger

11. Synchrotronstrahlung und Speicherringe

Zunächst werden die Entstehung von Synchrotronstrahlung und ihre Abhängigkeiten von Teilchenart, Teilchenenergie und Bahnradius beschrieben. Synchrotronstrahlung spielt demnach quantitativ nur für schnelle Elektronen in Ringbeschleunigern eine Rolle. Anschließend wird das Prinzip der Speicherringe zur Synchrotronstrahlungserzeugung vorgestellt. Diese sind spezialisierte Anlagen, die die ausschließliche Aufgabe haben, Synchrotronstrahlung hoher Intensität und definierter Strahlungsqualität zu erzeugen.

Hanno Krieger

12. Kernreaktoren

In diesem Kapitel werden Kernreaktoren als Quellen für radioaktive Substanzen und Neutronen vorgestellt. Zunächst wird dazu eine kurze Einführung in die neutroneninduzierte Kernspaltung gegeben. Nach einem Überblick über die Spaltfragmentverteilungen werden die wichtigsten technischen Lösungen für Kernreaktoren und die entsprechenden Reaktortypen erläutert. Den Abschluss des Kapitels bilden die Ausführungen zu enschaftliche und industrielle Anwendungen und zum einigen Sonderformen von Kernreaktoren für wissnatürlichen OkloReaktor.

Hanno Krieger

13. Neutronenquellen und ihre Anwendungen

Zur Erzeugung freier Neutronen müssen diese aus Atomkernen freigesetzt werden, da sie im ungebundenen Zustand mit einer Halbwertzeit von 10,23 min über eine Beta-minus-Umwandlung zerfallen. Dieses Kapitel beschreibt zunächst die verschiedenen Verfahren zur Neutronenproduktion. Die wichtigsten Neutronenquellen mit hohen Neutronenflüssen sind die Kernreaktoren und die Spallationsquellen. Daneben gibt es eine Reihe von Kernreaktionen, die vor allem schnelle Neutronen im Ausgangskanal aufweisen. Im zweiten Teil des Kapitels werden die wichtigsten Anwendungen von Neutronenstrahlung dargestellt wie die Neutronenaktivierungsanalyse, die Neutronenradiografie und die Anwendungen in der Medizin.

Hanno Krieger

14. Radionukliderzeugung

Nach einem kurzen Überblick werden in diesem Kapitel die unterschiedlichen Methoden zur Radionuklidgewinnung detailliert vorgestellt. Die wichtigsten Verfahren sind die Verwendung von Spaltfragmenten aus der neutroneninduzierten Kernspaltung, die Neutronenaktivierung stabiler Isotope zur Erzeugung von Beta-Minus-Strahlern und die Gewinnung von Positronenstrahlern durch Kernreaktionen in Kompaktzyklotrons. Radionuklide mit kurzer Halbwertzeit werden oft in Form so genannter Radionuklidgeneratoren produziert und vertrieben.

Hanno Krieger

15. Radionuklide in der Medizin

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Radionuklide für medizinische Anwendungen vorgestellt. Zunächst werden die strahlentherapeutisch eingesetzten Radionuklide besprochen. Es folgt eine Darstellung des Zusammenhangs von Strahleraktivität und Kenndosisleistung dieser Radionuklide. Die radioaktiven Strahler mit den höchsten medizinisch und technisch eingesetzten Aktivitäten befinden sich in Anlagen für perkutane Bestrahlungen mit Kobalt und in Afterloadinggeräten mit Iridium als Strahlungsquelle. Wegen ihrer Bedeutung wird der Aufbau dieser Anlagen in gesonderten Kapiteln erläutert. Anschließend werden die in der nuklearmedizinischen Diagnostik und Therapie benötigten Radionuklide zusammengestellt.

Hanno Krieger

16. Kobaltbestrahlungsanlagen für die Medizin

Perkutane Strahlungsquellen mit radioaktiven Gammastrahlern existieren heute nur noch in der Form von Kobaltbestrahlungsanlagen. Für radiologische Anwendungen werden sie zunehmend durch medizinische Linearbeschleuniger ersetzt. Bedeutung haben Kobaltanlagen nach wie vor als Kalibrierstrahler und für technische Anwendungen wie in der Materialbearbeitung und Sterilisation. Zwei medizinische Bauformen sind die konventionellen isozentrischen Teletherapiekobaltgeräte sowie eine stereotaktische Anlage mit multiplen einzelnen Kobaltstrahlern, das so genannte Gammaknife. In diesem Kapitel werden die Prinzipien beider Anlagen dargestellt.

Hanno Krieger

17. Afterloadinganlagen für die Medizin

In diesem Kapitel werden die für die Afterloadingtechnik eingesetzten Strahler und die zugehörigen Anlagen besprochen. Das wichtigste Radionuklid ist wegen seiner hohen spezifischen Aktivität das 192Ir, das sowohl für die Medizin als auch für technische Zwecke z. B. bei der Materialprüfung verwendet wird.

Hanno Krieger

18. Technische Anwendungen von Radionukliden

In diesem Kapitel werden zunächst die kleintechnischen Anwendungen radioaktiver Präparate dargestellt wie die Radionuklidbatterien, die Einrichtungen zur Material- und Füllstandsprüfung und die Ionisationsrauchmelder. Es folgen die Ausführungen zu den großtechnischen Bestrahlungsanlagen zur Strahlensterilisation, zur Kunststoffbearbeitung und zu Materialkontrollen.

Hanno Krieger

19. Tabellenanhang

Das Internationale Einheitensystem (Système International d'Units: SI) ist in Deutschland seit 1970 verbindlich. Die Verwendung der Basiseinheiten in Deutschland ist im Gesetz über die Einheiten im Messwesen festgelegt. Die SI-Basiseinheiten haben folgende Definitionen:

Hanno Krieger

20. Literatur

Von den in diesem Buch zitierten weiterführenden Literaturstellen enthalten insbesondere die Deutschen Normen zur Radiologie (DIN), die Berichte der International Comission on Radiation Units and Measurements (ICRU) sowie die Publikationen der internationalen und der deutschen Strahlenschutzkommissionen (ICRP, SSK) wichtige Ausführungen zur Strahlenkunde und zum Strahlenschutz. Sie sollten deshalb unbedingt beschafft und für die medizin-physikalische Arbeit zu Rate gezogen werden.

Hanno Krieger

21. Aufgabenlösungen

Aufgabenlösungen

Hanno Krieger

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