Die Röntgenröhre (1)

Eine Röntgenröhre ist eine spezielle Elektronenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.

Funktion

Eine Röntgenröhre besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Kathode und einer Anode, welche früher auch als Antikathode bezeichnet wurde, die in einem Vakuum innerhalb eines abgedichteten Glaskörpers eingeschmolzen wurden. Die Namensgebung erfolgte nach dem deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen.

Von der Kathode werden Elektronen emittiert (ausgesandt), durch eine Hochspannung (25-150 kV) zur Anode beschleunigt und dringen in das Anodenmaterial ein. Dabei werden sie abgebremst und erzeugen drei verschiedene Strahlungsarten: die sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung, Bremsstrahlung und Lilienfeldstrahlung (eine Form der Übergangsstrahlung). Bei Hochleistungsröhren, wie sie in der Computertomographie (CT) und der Angiographie verwendet werden, besteht der Vakuumbehälter aus Metall, welches wesentlich größeren Wärmeeinflüssen standhält. Im Laufe der Zeit wurden auch bei Röntgenröhren technische Verbesserungen vorgenommen, die allerdings am eigentlichen Prinzip der Erzeugung von Röntgenstrahlen nichts ändern.

Strahlungsarten

A. Diskrete bzw. charakteristische Röntgenstrahlung

Während bei Quellen für sichtbares Licht nur die äußeren Hüllenelektronen der Atome beteiligt sind, schlagen die in der Röntgenröhre beschleunigten energiereichen Elektronen in der Anode auch Elektronen aus den innersten Schalen der Atome des Anodenmaterials. In diese Lücken „springen“ entweder Elektronen aus höheren Energieniveaus oder freie Elektronen. Da die Bindungsenergie der innersten Elektronenniveaus sehr groß ist, entsteht dabei kein sichtbares Licht, sondern die charakteristische Röntgenstrahlung mit materialtypischen diskreten Quantenenergien bzw. Wellenlängen. Diese Energie entspricht dabei der Differenz aus der Bindungsenergie von z. B. der K-Schale und der energiereicheren N-Schale. Natürlich sind auch alle möglichen anderen diskreten Quantenenergien möglich, also beispielsweise die zwischen K- und L-Schale, zwischen M- und K-Schale, M- und L-Schale oder, wie erwähnt, auch von „freien“ Elektronen zur K- oder L-Schale.

Diese diskrete bzw. charakteristische Röntgenstrahlung mit den jeweiligen Quantenenergien und somit Wellenlängen wird jedoch mit Ausnahme der Mammographie und der Kristallanalyse nicht oder nur zum kleinen Teil für die Bilderzeugung bei einer Röntgendurchleuchtung genutzt. Bei der Mammographie wird ein Anodenteller aus Molybdän mit entsprechenden Filtern verwendet, so dass in diesem Fall die K-Strahlung des Molybdäns für die Aufnahme der Milchdrüse verwendet wird. Auch zur Kristallstrukturanalyse werden diskrete Wellenlängen benötigt. Von diesen Ausnahmen abgesehen wird für die Bilderzeugung in der Medizin und Werkstoffprüfung ausschließlich die Röntgenbremsstrahlung verwendet.

Es sei erwähnt, dass die Elektronen der inneren Schalen nicht nur durch Stöße von außen, wie z. B. in der Röntgenröhre, sondern auch durch den Prozess der inneren Konversion aus dem Atom herausgeschlagen werden können.

B. Röntgenbremsstrahlung

Die Röntgenbremsstrahlung entsteht durch die Abbremsung der Elektronen beim Durchlaufen des Metalls der Anode: jede beschleunigte elektrische Ladung erzeugt elektromagnetische Strahlung. Die Wellenlänge der Strahlung hängt dabei vom Wert der Beschleunigung (bzw. Abbremsung) ab, so dass bei höherer Beschleunigungsspannung bzw. Anodenspannung härtere Röntgenstrahlung (energiereichere Quanten) entsteht. Das Bremsstrahlungsspektrum besitzt eine minimale Wellenlänge, bei der die gesamte kinetische Energie des Elektrons an ein einzelnes Photon abgegeben wird. Diese untere Grenzwellenlänge ist nur von der Anodenspannung abhängig und nicht vom Anodenmaterial.

C. Lilienfeldstrahlung

Julius Edgar Lilienfeld beschrieb 1919 erstmals eine für das menschliche Auge sichtbare grau-weiße Strahlung die er an der Anode von Röntgenröhren beobachtete, als er einen Elektronenstrahl der Energie 5 keV auf eine Metalloberfläche schickte. Diese sehr schwache Strahlung blaugrauer bzw. grau-weißer Farbe konnte nicht durch die Erwärmung des Metalls erklärt werden und gab der damaligen Physik Rätsel auf. Verschiedene Erklärungsversuche standen in Konkurrenz zueinander, darunter die Theorie, es handele sich um den sichtbaren Ausläufer der Bremsstrahlung Ihr sicherer Ursprung konnte erst in späteren Jahren erklärt werden. In der Folge wurde die Lilienfeldstrahlung auch experimentell als eine Form der Übergangsstrahlung nachgewiesen.

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