Bremsstrahlung

Nach den Gesetzen der Elektrodynamik sendet jedes beschleunigte oder abgebremste geladene Teilchen elektromagnetische Strahlung aus. Bewegt sich ein schnelles Elektron im Coulomb-Feld eines Atomkerns, wird seine Bahn abgelenkt und seine Geschwindigkeit verändert. Durch diese Beschleunigung bzw. Abbremsung verliert das Elektron einen Teil seiner kinetischen Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, der sogenannten Bremsstrahlung.

Die Energie des emittierten Photons entspricht dem Energieverlust des Elektrons. Die maximale Energie eines Bremsstrahlungsphotons entspricht der gesamten kinetischen Energie des Elektrons:

${\displaystyle E_{\text{max}}=e\cdot U}$

mit

• ${\displaystyle E_{\text{max}}}$ = maximale Photonenergie
• ${\displaystyle e}$ = Elementarladung
• ${\displaystyle U}$ = Beschleunigungsspannung

In der medizinischen Bildgebung entsteht Bremsstrahlung hauptsächlich in der Röntgenröhre. Elektronen werden durch Thermoemission aus einer beheizten Kathode freigesetzt und durch eine hohe elektrische Spannung auf die Anode beschleunigt. Beim Auftreffen auf das Anodenmaterial werden die Elektronen im elektrischen Feld der Atomkerne stark abgebremst. Dabei wird ihre kinetische Energie zu ca. 99 % Wärme und zu 1 % in Röntgenstrahlung umgewandelt. Der größte Anteil der in der medizinischen Radiologie verwendeten Röntgenstrahlung entsteht durch diesen Prozess.

Bremsstrahlung besitzt ein kontinuierliches Energiespektrum, da Elektronen unterschiedlich stark abgebremst werden können. Dadurch können Photonen mit verschiedenen Energien entstehen. Die maximale Photonenergie wird durch die Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre begrenzt. Das resultierende Spektrum besteht aus:

• einem kontinuierlichen Bremsstrahlungsspektrum
• überlagerten Linien der charakteristischen Röntgenstrahlung des Anodenmaterials.

Die Form des Spektrums wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, insbesondere durch die Röhrenspannung, den Röhrenstrom sowie durch Filtermaterialien im Strahlengang.

Die Intensität der Bremsstrahlung hängt unter anderem von der Ordnungszahl des Anodenmaterials und von der Energie der einfallenden Elektronen ab. Materialien mit hoher Ordnungszahl erzeugen eine stärkere Bremsstrahlung. In medizinischen Röntgenröhren wird daher häufig Wolfram als Anodenmaterial verwendet. Wolfram besitzt eine hohe Ordnungszahl, einen hohen Schmelzpunkt und eine gute Wärmeleitfähigkeit.

Bremsstrahlung ist der wichtigste Mechanismus zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in der medizinischen Bildgebung. Sie bildet die Grundlage der meisten radiologischen Verfahren, darunter Projektionsradiographie, Durchleuchtung und Computertomographie.

Darüber hinaus tritt Bremsstrahlung auch auf bei:

• hochenergetischen Elektronen in Teilchenbeschleunigern
• Wechselwirkungen von kosmischer Strahlung mit Materie
• astrophysikalischen Prozessen, z.B. in heißen Plasmen