Brennfleck

In der Röntgenröhre werden Elektronen durch Thermoemission aus der beheizten Kathode freigesetzt. Der Wehnelt-Zylinder bündelt die Elektronen zu einem fokussierten Elektronenstrahl. Dieser wird durch die zwischen Kathode und Anode anliegende Röhrenspannung beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode entstehen Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung. Da etwa 99 % der Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt werden, entsteht im Brennfleck eine sehr hohe lokale thermische Belastung. Die Konstruktion und Größe des Brennflecks sind daher entscheidend für die maximale Leistungsfähigkeit der Röntgenröhre. Ein kleiner Brennfleck verbessert die geometrische Bildschärfe, da die Strahlenquelle näher an eine punktförmige Quelle heranrückt. Gleichzeitig steigt jedoch die Wärmebelastung der Anode, da sich die Energie auf eine kleinere Fläche konzentriert. In der Praxis besteht daher ein Kompromiss zwischen hoher räumlicher Auflösung und ausreichender Wärmebelastbarkeit der Röntgenröhre.

Der elektronische Brennfleck ist die tatsächliche Auftrefffläche des Elektronenstrahls auf der Anodenoberfläche. Seine Größe wird hauptsächlich bestimmt durch:

• die Geometrie der Kathodenwendel
• die Fokussierung durch den Wehnelt-Zylinder
• den Abstand zwischen Kathode und Anode

Der elektronische Brennfleck entspricht der physikalischen Fläche, auf der die Elektronenenergie in Wärme und Röntgenstrahlung umgesetzt wird.

Der effektive Brennfleck ist die Projektion des elektronischen Brennflecks auf eine Ebene, die senkrecht zum Zentralstrahl steht. Er entspricht der scheinbaren Größe der Strahlenquelle, die für die Bildentstehung relevant ist, und wird auch als optischer oder geometrischer Brennfleck bezeichnet. Durch die Neigung der Anodenoberfläche erscheint der effektive Brennfleck kleiner als der tatsächliche elektronische Brennfleck. Dieses Prinzip wird als Line-Focus-Prinzip bezeichnet: Durch die Neigung der Anodenoberfläche gegenüber dem Elektronenstrahl entsteht ein relativ großer elektronischer Brennfleck, der die Wärmebelastung auf eine größere Fläche verteilt. Gleichzeitig erscheint die Strahlenquelle in Richtung des austretenden Röntgenstrahls kleiner, da der Brennfleck verkürzt projiziert wird. Das Prinzip ermöglicht hohe Röhrenleistung bei gleichzeitig kleiner effektiver Strahlenquelle. Der Winkel zwischen Anodenoberfläche und Zentralstrahl wird als Anodenneigungswinkel bezeichnet und liegt typischerweise zwischen etwa 6° und 20°. Ein kleiner Anodenwinkel führt zu einem kleineren optischen Brennfleck, verstärkt jedoch den sogenannten Heel-Effekt.

Der thermische Brennfleck bezeichnet den Bereich der Anodenoberfläche, der durch die Energieumwandlung der auftreffenden Elektronen thermisch belastet wird. Bei Röntgenröhren mit stationärer Anode entspricht der thermisch belastete Bereich im Wesentlichen dem elektronischen Brennfleck. Bei Röntgenröhren mit rotierender Anode verteilt sich die Wärme infolge der Rotation auf eine ringförmige Brennspur. Dadurch wird die thermische Belastung auf eine größere Fläche verteilt, was höhere Röhrenleistungen ermöglicht.

Viele Röntgenröhren besitzen zwei Brennfleckgrößen, die je nach Untersuchung ausgewählt werden können. Typische Werte sind:

• Mammographie: 0,1–0,3 mm
• Standardradiographie: 0,6–1,2 mm

Der kleine Brennfleck wird für hochauflösende Aufnahmen verwendet, beispielsweise in der Mammographie oder in der Angiographie. Der größere Brennfleck ermöglicht höhere Röhrenleistungen und wird bei Aufnahmen mit höherer Strahlenbelastung eingesetzt.

Die Größe des optischen Brennflecks beeinflusst direkt die geometrische Unschärfe eines Röntgenbildes. Eine größere Strahlenquelle führt zu einer stärkeren Randunschärfe der abgebildeten Strukturen. Die geometrische Unschärfe U_g​ hängt unter anderem von der Brennfleckgröße F, dem Fokus-Objekt-Abstand SOD und dem Objekt-Detektor-Abstand ODD ab:

$${\displaystyle U_{g}={F\times ODD \over SOD}}$$

Eine Verringerung der Brennfleckgröße sowie ein großer Fokus-Objekt-Abstand verbessern daher die räumliche Auflösung der Aufnahme.