Röntgenröhre

Ein medizinischer Röntgenstrahler, etwa 1960

Der Röntgenstrahler ist ein technischer Apparat zum Erzeugen von Röntgenstrahlen. Er besteht aus einer Röntgenröhre und einem Schutzgehäuse, deren Aufbau in der DIN 6814 Blatt 6 festgelegt sind.

Röntgenröhre

Aufbau

Eine Röntgenröhre besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Kathode und einer Anode, die in einem Vakuum innerhalb eines abgedichteten Glaskörpers sitzen (bei Hochleistungsröhren wie sie im 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.

Funktion

Von der Kathode werden Elektronen emittiert, durch eine Hochspannung zur Anode beschleunigt und dringen in das Anodenmaterial ein. Dabei werden sie abgebremst und erzeugen Röntgenstrahlen (Bremsstrahlung und sog. charakteristische Röntgenstrahlung).

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 sogenannte charakteristische (diskrete) Röntgenstrahlung mit charakteristischen diskreten Quanten - Energien bzw. Wellenlängen. Diese Energie entspricht dabei der Differenz aus der Bindungsenergie von z. B. der K-Schale und der energieärmeren N-Schale.

Natürlich sind auch alle möglichen anderen diskreten Quanten - Energien möglich, also z. B. 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 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 Mamma (Brust) verwendet wird. Von dieser Ausnahme abgesehen wird für die Bilderzeugung in der Röntgendiagnostik 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.

Röntgenbremsstrahlung: Die Röntgenbremsstrahlung entsteht durch die Abbremsung der Elektronen beim Auftreffen auf die Metalloberfäche der Anode: jede beschleunigte elektrische Ladung erzeugt elektromagnetische Strahlung. Die Wellenlänge der Strahlung hängt dabei vom Wert der Beschleunigung (bzw. Abbremsung) ab, sodass bei höherer Beschleunigungsspannung härtere (energiereichere Quanten) Röntgenstrahlung entsteht.

Kathodenarten

Kathoden werden nach der Art der Elektronenerzeugung charakterisiert.

Thermische Emission: Die Kathode besteht aus einem Filament, welches normalerweise aus einem Wolframdraht besteht. Dieses Filament wird auf ca. 2000°C aufgeheizt, bis die thermische Emission von Elektronen aus dem Metall beginnt. Die Elektronen bilden eine negativ geladene Elektronenwolke, die dem Austritt weiterer Elektronen entgegenwirkt. Erst über das Anlegen einer positiven Spannung an die Anode werden die Elektronen auf diese beschleunigt. Besteht die Röhre nur aus Kathode und Anode, spricht man von einer Diode. Der Emissionsstrom wird allein durch den Heizstrom des Filaments bestimmt. In den meisten Fällen will man schneller und exakter den Röhrenstrom regeln. Deshalb wird ein Wehneltzylinder hinter das Filament geschaltet. Dieser ist negativ in Bezug auf das Filament und wirkt so dem ungehemmten Austritt der Elektronen entgegen. In diesem Fall spricht man von einer Triode.

Feldemission: Das Filament wird hier nur auf moderate Temperaturen je nach Material erwärmt. Durch das Aufheizen ist noch keine Emission möglich. Jedoch befinden sich dadurch viele Elektronen auf einem erhöhten Energieniveau oberhalb der Fermilevel. Jetzt wird von Außen ein sogenanntes Extraktionsgitter über das Filament gelegt. Dieses ist positiv gegenüber dem Filament und erzeugt in dem Raum zwischen beiden sehr hohe Feldstärken von mehreren Volt pro Mikrometer. Dies führt dazu, dass Elektronen aus dem Filament gezogen werden. Das Potenzial des sogenannten Vakuumlevels, des Potenzials, welches ein Elektron erreichen muss, um wirklich frei vom ursprünglichen Festkörper zu sein, dieses Potenzial wird durch das starke äußere Feld mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche des Metalls/Filaments abgesenkt. Die herausgezogenen Elektronen durchtunneln das maximale Potenzial zur Vakuumlevel und verlassen den Festkörper. Hinter dem Extraktionsgitter folgt wieder das negativ geladene Regelungsgitter, der Wehneltzylinder.

Anodenarten

Fest- oder Stehanode: Feststehende Anode, bei der die Elektronen auf eine typischerweise 1 mal 10 mm große Fläche treffen. Im Bereich dieses Brennpunktes kann die Abnutzung des Anodenmaterials sehr hoch werden. Man verwendet z. B. in Kupfer eingelassene Wolfram-Platten. Wolfram besitzt eine besonders hohe Konversionsrate von elektrischer Energie in Röntgenstrahlungsenergie bei gleichzeitig hohem Schmelzpunkt.

Drehanode: Die Drehanode besteht i. a. aus einem Verbundteller aus einer Wolfram-Deckschicht und einer darunter liegenden, hoch warmfesten Molybdänlegierung, der mit Hilfe einer Achse an einem Rotor befestigt ist. Außerhalb der Röntgenröhre befindet sich das Spulenpaket des Stators zum Antrieb des Rotors. Die Elektronen treffen auf den Rand des Tellers auf. Durch die Drehung des Tellers wird die Wärme aus dem elektronischen Brennfleck auf dem Tellerrand verteilt. Dies führt zu einer längeren Lebenszeit der Anode und ermöglicht eine große Strahlintensität, die bei feststehender Anode wegen Aufschmelzens des Anodenmaterials nicht erreichbar wäre. Die Umdrehungszahl solcher Anoden ist verschieden: während Anodenteller mit ca. 8 bis 12 cm Durchmesser mit 8000 bis 9000 Umdrehungen/Minute rotieren und meist nicht im Dauerbetrieb (die Lebensdauer von Kugellagern beträgt im Vakuum nur wenige hundert Stunden; der Teller wird daher beschleunigt und nach der Aufnahme wieder abgebremst), drehen Hochleistungsanoden mit ca. 20 cm Durchmesser bei 3500 bis 6000 Umdrehungen/Minute im Dauerbetrieb und sind auf vorzugsweise auf verschleissfreien hydrodynamischen Gleitlagern montiert. Auf Grund der starken Wärmeentwicklung (99 % der aufgewendeten Energie werden zu Wärme) muss der Anodenteller gekühlt werden. Dies geschieht bei Röhren mit Kugellagern nur durch Wärmeabstrahlung und bei Röhren mit Flüssigmetall-Gleitlagern zusätzlich durch direkte Wärmeableitung ins Innere des Lagers und dann in das Kühlwasser oder Kühlöl hinein.

Schutzgehäuse

Das Schutzgehäuse eines Röntgenstrahlers hat mehrere Funktionen:

Es schützt die Röntgenröhre vor äußeren mechanischer Belastung.
Es enthält Öl zur elektrischen Isolation (Vermeidung von Hochspannungsüberschlägen) sowie zur Kühlung der Röhre: Hochleistungröntgenstrahler wie z. B. in der Computertomographie werden durch Zwangszirkulation des Öls über einen Wärmetauscher gekühlt.
Es enthält ein Strahlenaustrittsfenster aus Glas oder Berylliumfolie, um die Nutzstrahlen nach außen gelangen zu lassen.
Um die Umgebung vor den Röntgenstrahlen zu schützen, ist das Schutzgehäuse, welches meist aus Aluminium besteht, innen mit Blei ausgekleidet.

Anwendungen

Elektronik, Medizin, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Kristallstrukturanalyse

spezielle Verfahren und Bauformen

Hochleistungsröntgenröhren, Weichstrahlröntgen, Röntgenlinsen, Phasenkontraströntgen, Mikrofokusröntgenröhren

Weblinks

Aufbau einer Röntgenröhre - Funktionsweise, dargestellt in einer Animation