RÖNTGEN-Strahlung

Grundwissen

Erzeugung von RÖNTGEN-Strahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

In RÖNTGEN-Röhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht RÖNTGEN-Strahlung (Bremsstrahlung und Charakteristische Strahlung) und Wärme.
Die Wellenlänge von RÖNTGEN-Strahlung liegt etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\).

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

RÖNTGEN-Strahlung 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, die oben angesprochene RÖNTGEN-Strahlung.

Es entsteht ein kontinuierliches Spektrum aus RÖNTGEN-Strahlung 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 sogenannte charakteristische RÖNTGEN-Strahlung. Zu den beiden verschiedenen Anteilen der RÖNTGEN-Strahlung mehr in den nächsten Artikeln.

Modell und Funktion einer RÖNTGEN-Röhre

Abb. 2 Aufbau und Funktionsweise einer RÖNTGEN-Röhre

RÖNTGEN-Röhren 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 aufgrund des Glühelektrischer Effekts aus der elektrisch beheizten Glühkathode aus. Dabei gilt: Je größer der Heizstrom, desto größer die Zahl der durch Glühemission emittierten Elektronen. Um die Glühkathode herum befindet sich meist ein WEHNELT-Zylinder (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 RÖNTGEN-Quanten, die anschließend aus der RÖNTGEN-Röhre 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

**Abb. 3** Ursprüngliche RÖNTGEN-Röhre ohne Glühkathode und feste Anode

Zur Zeit von RÖNTGENs bahnbrechender Entdeckung der RÖNTGEN-Strahlung 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 RÖNTGEN-Strahlung.

**Abb. 4** RÖNTGEN-Röhre 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 RÖNTGEN-Strahlung nach unten aus der Röhre austritt.

Modernere, kompakte Bauformen

Inzwischen sind RÖNTGEN-Röhren deutlich kompakter gebaut. Das Anodenmaterial wird zur Kühlung entweder von Wasser durchströmt oder rotiert im Kreis, sodass eine Überhitzung durch den Elektronenbeschuss verhindert wird.