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Grundwissen

Bremsstrahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die Bremsstrahlung einer Röntgenröhre ist ein kontinuierliches Spektrum. Die maximale Photonenenergie wird dabei von der Beschleunigungsspannung bestimmt.
  • In der Anode der Röntgenröhre werden die auftreffenden schnellen Elektronen stark abgebremst. Dabei entsteht die Bremsstrahlung.
  • Die Elektronen werden im Anodenmaterial je nach Abstand zu einem Kern unterschiedlich stark beschleunigt, entsprechend enthält das Spektrum der Bremsstrahlung alle Photonenenergien bis zum Höchstwert.
Aufgaben Aufgaben

Kontinuierliches Spektrum einer Röntgenröhre

Abb. 1 Kontinuierliches Spektrum der Röntgenbremsstrahlung (ohne charakteristische Linien)

Entfernt man aus dem Gesamtspektrum einer Röntgenröhre die charakteristischen Linien, so ergibt sich bei verschiedenen Spannungen das in Abb.1 gezeigte Emissionsspektrum.

Unabhängig von der Beschleunigungsspannung an der Röntgenröhre tritt stets ein kontinuierliches Spektrum auf. Dabei verschiebt sich die Kurve mit steigender Beschleunigungsspannung zu höheren Photonenenergien hin. Auch die relative Intensität der Röntgenstrahlung wächst mit der Beschleunigungsspannung. Dass das Spektrum bei kleinen Photonenenergien abbricht und nicht langsam abnimmt, liegt daran, dass die verwendeten Sensoren dort nicht mehr ansprechen.

Beschleunigte Ladung sendet Strahlung aus

Die Entstehung dieses Anteils des Röntgenspektrums geht auf ein allgemeines Phänomen zurück, das in der Physik wiederholt auftritt:

Wird eine elektrische Ladung beschleunigt, d.h. ändert sich ihr Geschwindigkeitsbetrag bzw. ihre Bewegungsrichtung, so entsteht elektromagnetische Strahlung. Die Energie der dabei auftretenden Photonen ist umso höher, je stärker die Beschleunigung ist.

Hinweis: In der Physik spricht man auch dann von einer Beschleunigung, wenn die Ladung abgebremst wird.

Abbremsen schneller Elektronen in der Anode

Elektronen, die z.B. durch die Spannung \(35\,{\rm{kV}}\) beschleunigt wurden, haben unmittelbar vor der Anode eine Geschwindigkeit von \(35\% \) der Lichtgeschwindigkeit, was etwa eine Geschwindigkeit von \(105000\,\frac{{{\rm{km}}}}{{\rm{s}}}\) ist. Diese Elektronen dringen nun in das Anodenmaterial ein und werden dort abgebremst. Nach dem oben Gesagten tritt bei diesem Prozess elektromagnetische Strahlung auf, die man als Bremsstrahlung bezeichnet.

Beschleunigung des Elektrons bestimmt die Energie der Strahlung

Abb. 2 Erzeugung der Bremsstrahlung durch Ablenkung und damit Beschleunigung von Elektronen im Atom

Die folgende Animation zeigt Möglichkeiten, wie es zur Beschleunigung der Elektronen im elektrischen Feld eines Atomkerns und der damit verbundenen Emission von Röntgenphotonen kommt.

Je nachdem wie nahe ein eingeschossenes Elektron einem Kern des Anodenmaterials kommt, verspürt es unterschiedlich starke elektrische Felder, welche die Ablenkung und somit die Beschleunigung bewirken. Dadurch wird auch verständlich, dass die Photonenenergien der Bremsstrahlung bis zu einem Höchstwert alle Werte annehmen können, d.h. das Spektrum der Bremsstrahlung ist kontinuierlich.

Der höchste Wert der Photonenenergie bei der Bremsstrahlung ist dann erreicht, wenn die gesamte kinetische Energie eines Elektrons (im Bild oben ist bei der obersten Kurve \({E_{{\rm{kin}}{\rm{,max}}}} = 35\,{\rm{keV}}\)) dazu verwendet wird ein Photon zu erzeugen. Man erkennt dies auch am Emissionsspektrum: Es gibt bei der obersten Kurve keine Photonenenergie, die größer als \(35\,{\rm{keV}}\) ist.

Weitere Möglichkeiten der Energieabgabe

Hinweis: Die Energieabgabe der auf die Anode aufprallenden Elektronen kann nicht nur durch die Bremsstrahlung erfolgen. Es ist auch möglich, dass die Anodenatome angeregt werden und charakteristische Strahlung emittieren oder dass die Anodenatome zu Gitterschwingungen angeregt werden, was zur Erhitzung der Anode führt.