Röntgenstrahler

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 Kathodeund einer Anode, die in einem Vakuuminnerhalb eines abgedichteten Glaskörpers sitzen. Im Laufe der Zeit wurden auch bei Röntgenröhren technische Verbesserungen vorgenommen, die allerdings am eigentlichen Prinzip der Erzeugung von Röntgenstrahlen nichts ändern.

Funktion

Elektronenwerden durch eine Hochspannung von der Kathode zur Anode beschleunigtund dringen in das Anodenmaterial ein. Dabei werden sie abgebremst und erzeugen die Röntgenstrahlen (Bremsstrahlungund charakteristische Röntgenstrahlung).

Diskrete Röntgenstrahlung: Sichtbares Licht entsteht u.a. dadurch, dass Elektronen auf den äußeren Schalen der Atome, z.B. in der Glühwendel einer Glühbirne, durch Erhitzen auf höhere Energieschalen gebracht werden. Beim Zurückspringen auf das ursprüngliche Energieniveau geben sie die gewonnene Energie in Form von sichtbarem Licht oder Wärmestrahlung wieder ab.

Etwas vergleichbares geschieht in der Anode der Röntgenröhre. Die in der Röhre beschleunigten energiereichen Elektronen schlagen 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 Licht, sondern sogenannte charakteristische (diskrete) Röntgenstrahlung mit einer festen diskreten Energie. Diese Energie entspricht dabei der Differenz aus der Bindungsenergie von z.B. der K-Schale und der energieärmeren N-Schale.

Entstehung von diskreter (= charakteristischer) Röntgenstrahlung: Natürlich sind auch alle möglichen anderen diskreten 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 jeweils festen Energien und damit Frequenzen wird jedoch, mit Ausnahme bei der Mammographie, nicht bzw. nur zum kleinen Teil für die Bilderzeugung 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 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 derInneren Konversion aus dem Atom herausgeschlagen werden können.

Kathodenarten

Kathoden werden nach der Art der Elektronenerzeugung charakterisiert.

Thermische Emission: Die Kathode besteht aus einem Filament, welches normalerweise aus einem Wolframdrahtbesteht. 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 so genanntes 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 der so genannten Vakuumlevel, des Potenzial 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 sehr lokal auf eine Fläche treffen. Im Bereich dieses Brennpunktes ist die Abnutzung des Anodenmaterials sehr hoch.
Man verwendet z.B. in Kupfer eingelassene Wolfram-Platten.

Drehanode:
Die Anode ist ein Teller, der mit Hilfe einer Achsean einem Rotorbefestigt ist. Außerhalb der Röntgenröhre befindet sich der Statorzum Antrieb des Rotors. Die Elektronen treffen auf den Rand des Tellers auf, durch die Drehung des Tellers wird der elektronische Brennfleck auf dem Tellerrand verteilt. Dies führt zu einer längeren Lebenszeit der Anode und ermöglicht eine große Strahlintensität, die bei feststehender Anode zum Aufschmelzen des Anodenmaterials führen würde. Die Umdrehungszahl solcher Anoden hängt von ihrer Größe ab: während konventionelle, 'kleine' Teller mit ca. 12cm Durchmesser mit 8000 bis 9000 Umdrehungen/Minute rotieren und meist nicht im Dauerbetrieb (Lagerbelastung!) tätig sind (der Teller wird beschleunigt und abgebremst), drehen Hochleistungsanoden mit ca. 20cm Durchmesser bei 3500 bis 4000 Umdrehungen/Minute im Dauerbetrieb. Auf Grund einer starken Wärmeentwicklung (99% der aufgewendeten Energie werden zu Wärme) muss der Anodenteller gekühlt werden. Dies geschieht oft im Schaft des Tellers mit Wasser oder Öl.

Schutzgehäuse

Das Schutzgehäuse eines Röntgenstrahlers hat merere 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 Computertomographiewerden durch Zwangszirkulation des Öls über einen Wärmetauscher gekühlt.
• Es enthält ein Strahlenaustrittsfenster aus Glasoder Berylliumfolie, um die Nutzstrahlen nach außen gelangen zu lassen.
• Um die Umgebung vor den Röntgenstrahlen zu schützen, ist das Schutzgehäuse, welches meist aus Aluminiumbesteht, innen mit Bleiaugekleidet.

Anwendungen

Elektronik, Medizin, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

spezielle Verfahren und Bauformen

Hochleistungsröntgenröhren, Weichstrahlröntgen, Röntgenlinsen, Phasenkontraströntgen, Mikrofokusröntgenröhrenen:X-ray tube fr:Tube à rayons X nl:Röntgenbuis

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