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Grundwissen

Erzeugung von RÖNTGEN-Strahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • In Röntgenröhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
  • Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht Bremsstrahlung, Charakteristische Röntgenstrahlung und Wärme.
  • Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Aufbau einer Röntgenröhre

Als Röntgenstrahlung bezeichnest du elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\) liegt bzw. Photonen, deren Energie zwischen etwa \(100\,\rm{eV}\) und \(250\,\rm{keV}\) liegt.

Röntgenstrahlung entsteht typischerweise dann, wenn Elektronen mit großer Geschwindigkeit auf eine Anode aus Metall treffen. Die Elektronen treten in das Anodenmaterial ein und werden dort abgebremst. Dabei wird elektromagnetische Strahlung abgegeben und es entsteht ein kontinuierliches Spektrum aus Röntgenstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen, die sogenannte Bremsstrahlung. Daneben können die Elektronen ihre Energie auch über Stöße mit Hüllenelektronen des Materials abgeben. Hierbei bzw. bei anschließend stattfindenden Vorgängen im Atom wird Strahlung mit für das Anodenmaterial spezifischer Wellenlänge ausgesendet, die sog. charakteristische Röntgenstrahlung

Modell und Funktion einer Röntgenröhre

Abb. 2 Aufbau und Funktionsweise einer RÖNTGEN-Röhre

Röntgenröhren befinden sich, wie in Abb. 2 dargestellt, in hochevakuierten Glaskolben, damit die Elektronen zwischen der Kathode und der Anode beschleunigt werden, ohne mit Luftteilchen zu stoßen, was die Elektronen abbremsen würde. Die notwendigen Elektronen treten aus der elektrisch beheizten Glühkathode aus (Glühelektrischer Effekt). Dabei gilt: Je größer der Heizstrom, desto größer die Zahl der durch Glühemission emittierten Elektronen. Um die Glühkathode herum befindet sich meist ein Wehneltzylinder (Richtungszylinder). Dieser ist leicht negativ geladen und sorgt so durch die Abstoßung dafür, dass die Elektronen in der Mitte in einem feinen Strahl gebündelt und in Richtung der Anode beschleunigt werden. Für die Beschleunigung der Elektronen sorgt die Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode, die meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(150\,\rm{kV}\) beträgt. 

Die schnellen Elektronen treffen dann auf das Anodenmaterial und erzeugen hier Röntgenquanten, die anschließend aus der Röntgenröhre austreten und für medizinische oder technische Anwendungen genutzt werden können. Durch das Auftreffen der schnellen Elektronen erhitzt sich das Anodenmaterial stark. Daher muss die Anode z.B. durch einen Wasserkreislauf gekühlt werden, um Beschädigungen zu vermeiden.

Größenordnung der Beschleunigungsspannung

Zwar entsteht schon bei deutlich niedrigeren Beschleunigungsspannungen von \(100\,\rm{V}\) etwas elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Röntgenbereich, für medizinische Anwendungen liegen die genutzten Beschleunigungsspannungen jedoch meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(150\,\rm{kV}\). Für einige technische Anwendungen wie z.B. das Prüfen von Schweißnähten werden auch teilweise höhere Beschleunigungsspannungen von bis zu \(250\,\rm{kV}\) genutzt.

Historische Entwicklung

Kleon3 [CC BY-SA], bearbeitet von LEIFIphysik
Abb. 3 Ursprüngliche Röntgenröhre ohne Glühkathode und feste Anode

Zur Zeit von Röntgens bahnbrechender Entdeckung der Röntgenstrahlung war die Erzeugung eines Hochvakuums noch ein großes Problem. In den Röhren befanden sich daher noch Gasionen, die auf die negativ geladene Kathode beschleunigt wurden. Dabei schlugen diese Ionen aus der Kathode Elektronen heraus, welche dann zur positiv geladenen Anode, damals noch als Antikathode bezeichnet, beschleunigt wurden. Beim Auftreffen auf die Anode oder auch einfach auf das Glas kam es zur Emission von Röntgenstrahlung.

Abb. 4 Röntgenröhre mit Glühkathode und schräger Anode

Nach den großen Fortschritten in der Vakuumtechnik baute man Hochvakuumröhren mit einer elektrisch beheizbaren Kathode (Glühkathode). An der Kathode treten durch Glühemission Elektronen aus, die durch eine hohe Spannung zur Anode hin beschleunigt werden. Die Anode ist schräg, sodass die Röntgenstrahlung nach unten aus der Röhre austritt.

Modernere, kompakte Bauformen

Inzwischen sind Röntgenröhren deutlich kompakter gebaut und das Anodenmaterial wird zur Kühlung entweder von Wasser durchströmt oder rotiert im Kreis, sodass eine Überhitzung durch den Elektronenbeschuss verhindert wird.

Rschiedon [Rechtes Bild: CC BY-SA], Beschriftung von LEIFIphysik
Abb. 5 Moderne, kompakte Röntgenröhren - rechts mit rotierender Anode