Die Größe entscheidet die Bildqualität

Die Wahl des Fokus !

Karl-Heinz Szeifert 19 Nov, 2018 00:00

Eine zwar schon etwas ältere, aber dafür sehr schön und gut erklärte Beschreibung der Funktionsabläufe in einer Röntgenröhre wurde uns von Thomas Auer aus der Schweiz überlassen.

Die Röntgenröhre

Wenn sich schnell bewegende Elektronen mit einem Material irgendeiner Art kollidieren, so entstehen Röntgenstrahlen. Der effizienteste Weg für die Produktion von Röntgenstrahlen führt über die Verwendung einer Röntgenröhre. Diese ist ein elektronischer Bauteil, bei welchem Röntgenstrahlung produziert wird, indem ein Elektronenstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf die meist aus Wolfram bestehende Anode gerichtet wird. Beim Aufprall der Elektronen auf das Target werden die Elektronen abgebremst. Deren Energie wird zum größten Teil in Hitze gewandelt, doch ein marginaler Anteil wird in Röntgenstrahlung transformiert.

Die einfachste Art einer Röntgenröhre (Figur 1) besteht aus einem luftleeren Glaszylinder mit zwei wichtigen Komponenten, der Kathode und der Anode. Die Anode besteht normalerweise aus Kupfer und ist an einem Röhrenende schräge montiert. In der Mitte ist ein ungefähr 1,5 cm² großes Wolframplättchen, welches das Ziel für den Elektronenstrahl ist. Die Kathode enthält einen Wolframdraht in Form einer 1,2 cm langen Wicklung mit ungefähr 4 mm Durchmesser. Diese Wolframwicklung wird ähnlich wie in einer normalen Glühlampe bis zur Glut erhitzt.

Die Erzeugung von Röntgenstrahlung

Wenn eine sehr große Spannung (Hochspannung im KV-Bereich) an diese zwei Komponenten angelegt wird, werden die Elektronen mit einer extrem hohen Energie zur Anode hin beschleunigt, wo sie aufprallen. Je höher die Spannung, je höher ist die Geschwindigkeit der Elektronen. Dies bewirkt eine kürzere Wellenlänge und dadurch eine größere Durchdringungskraft und Intensität der Röntgenstrahlung.

Die Anzahl der Elektronen (Milliampere) also die Quantität der erzeugten Röntgenstrahlung wird gesteuert durch die Hitze in der Kathodenwicklung. Die Anode ist in einem Winkel von ungefähr 20° zur Kathode angebracht (Figur 1). Die produzierte Strahlung (Photonen) verlässt die Röntgenröhre durch das Primärstrahlenfenster und wird gegen ein bildgebendes Ziel (Film, Detektor, …) gerichtet.

Diese nutzbare Strahlung wird Primärstrahlung genannt. Sie ist insofern vergleichbar mit einem normalen Lichtstrahl, indem sie in geraden Linien von der Quelle zum Ziel verläuft, - ausgenommen sie wird durch einen Absorber (Katze in Figur 1) gestoppt. Die Penetration durch den Absorber wird durch vier Faktoren beeinflusst: Die Wellenlänge der Röntgenstrahlen, sowie die Dichte, die Dicke und die Ordnungszahl des Objekts im Primärstrahl. Die unterschiedliche Materialdichte und Struktur im Objekt führt zu unterschiedlicher Absorption von Röntgenstrahlung, was letztlich zu einem modulierten Röntgenbild führt.

Der Einfluss der Fokusse

a. Der Elektronenstrahl in der Röntgenröhre

Die Länge und der Durchmesser der Wolframwicklung (Filament) an der Kathode und die Größe und Form des Fukussierzylinders (Focusing Cup) sind die Faktoren, welche die Größe und die Form des Elektronenstrahls bestimmen.

b. Die Größe des Fokus

Die Größe des Fokus entspricht der Fläche auf der Anode, auf welcher die Elektronen aufprallen. (Figur 3). Die meisten Röntgenröhren haben zwei Fokusse: Einen großen Fokus und einen kleinen Fokus.

c. Was beeinflusst der Fokus und dessen Größe?

Durch den Aufprall von Elektronen werden Hitze wie Strahlung generiert. Nur ungefähr 1% der Energie wird in Photonen transferiert, der Rest der Energie wird in Hitze gewandelt, was die Anode extrem heizt.

Diese Hitze muss vom Fokuspunkt so gut wie möglich weggeleitet werden. Sonst läuft man in Gefahr, dass das Wolfram überhitzt und die Röntgenröhre zerstört wird. Wenn die Heizkapazität der Röhre erreicht ist, muss der Betrieb eingestellt werden, um diese zu kühlen. Generell kann darum davon ausgegangen werden, dass bei einer definierten Röntgenleistung die verfügbare Betriebszeit umso kürzer wird, je kleiner der Fokus ist. Die Größe des Fokus hat aber einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Röntgenbildes. Je kleiner der Fokus, umso besser ist die Auflösung des Bildes. Ein großer Fokus erträgt jedoch mehr Hitze als ein kleiner.

In Figur 5 sehen wir einen dünnen Elektronenstrahl, welcher an der Anode aufprallt und einen schmalen Fokuspunkt erzeugt, welcher nahezu punkteförmig ist. Der Primärstrahl penetriert das Objekt, wobei extrem kleine Schatten auf dem Film erzeugt werden. Das Resultat ist ein sauberes und klares Bild. Figur 5

In Figur 6 sehen wir einen großen Fokuspunkt, der von Punkt A bis B reicht. Wenn die Primärstrahlung die Ränder (oder die Strukturen im Objekt) durchdringt, generiert sie sogenannte "Halbschatten" (a1 und b1). Dies kommt daher, dass die Ränder und Strukturen durch Photonen penetriert werden, welche gleichzeitig von Punkt A und B kommen.

Die Größe dieser Halbschatten und die daraus resultierende Unschärfe der Bilder kann reduziert werden, indem:

  • Der Fokus so klein wie möglich gehalten wird (führt zu einer stärkeren Belastung der Röhre).
  • Das Objekt so nahe wie möglich beim Film positioniert wird.
  • Die Distanz zwischen Film und Fokus vergrößert wird bei gleichbleibendem Abstand zwischen Objekt und Film.
Figur 7: Grafik von PD Dr, Frank G. Zöllner Uni Mannheim

Diese oben beschriebenen Maßnahmen haben aber zeitaufwendige Nachteile oder sind schlicht nicht praktikabel.

Lösung: Die Drehanodenröhre

Um die Heizkapazität der Anode bei gleichzeitig optimal kleinem Fokus zu erhöhen, wurde die Drehanode entwickelt (Figur 7). Wie der Name sagt, dreht sich bei diesem Röhrentyp die Anode in Form einer Scheibe, welche durch einen im Zentrum angebrachten Rotor angetrieben wird. Die Kathodenwicklung ist so angebracht, dass der Elektronenstrahl auf den angewinkelten Wolframteil der Scheibe auftrifft. So bleibt der Fokuspunkt in einer fixen räumlichen Position, während die Anodenscheibe mit der Wirkung der kontinuierlichen, rapiden Drehung ständig gekühlt wird. Die generierte Hitze wird über die ganze Ringbreite verteilt, womit bei gleicher Röntgenleistung die Fokusfläche wesentlich kleiner und schmaler definiert werden kann als bei einer stationären Anode.

Der Effekt der Fokusgröße im Trockentest

Der Effekt unterschiedlicher Fokusgrößen wurde in Figur 5 und 6 aufgezeigt. Dieses Phänomen kann auch ohne Röntgensystem anschaulich nachvollzogen werden. Dazu benötigt man lediglich eine jener Stablampen mit verstellbarer Linse, wie sie in Autozubehörläden oder Büromaterialgeschäften erhältlich sind. Verstellt man die Linse von einer Extremposition in die andere, so resultieren unterschiedliche Durchmesser der Lichtquelle. Die Lampe muss ungefähr 30 cm über ein Papierblatt gehalten werden. Wird nun der "große" Durchmesser gewählt und ein Bleistift ungefähr 2 cm über dem Papier in den Lichtstrahl (Figur 8) gehalten, so erscheint der Schatten des Bleistiftes mit gut erkennbaren Halbschatten an den Rändern.

Stellt man den "kleinen" Durchmesser der Lichtquelle ein (Figur 9), so verschwinden die Halbschatten nahezu vollständig und der Bleistiftschatten erscheint scharf und klar.

Fazit

Die Fokusgröße ist mitbestimmend für die Strahlengeometrie. Je kleiner der Fokus, desto besser ist die Zeichenschärfe. - Je größer der Fokus, desto mehr wird die Röhre belastet.

Man sollte aber auch darauf achten, dass man sein Leistungsspektrum an Röntgenaufnahmen angemessen auf die Fokusse verteilt. Etwa in dem man große und dicke Objekte eher mit dem großem Fokus, die kleinen und dünnen Objekte eher mit dem kleinen Fokus belichtet.


Quelle:

MTA-R.de bedankt sich ganz herzlich bei Thonas Auer CH für die freundliche Überlassung des Skripts.

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Kommentare

Irene vor 8 Monate

Toll erklärt!!!!