Röntgenröhre
nach dem deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923)
Englisch: X-ray tube
Definition
Eine Röntgenröhre ist eine Vakuumröhre bzw. Elektronenröhre, die elektrische Energie in Röntgenstrahlung umwandelt. In ihr werden Elektronen durch eine hohe elektrische Spannung von einer Kathode zur Anode beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Anodenmaterial entsteht durch Abbremsung der Elektronen Röntgenstrahlung.
Röntgenröhren sind die Strahlungsquelle von Röntgeneinrichtungen.
Aufbau
Eine Röntgenröhre besteht aus mehreren grundlegenden Komponenten:
Kathode
Die Kathode enthält eine oder mehrere Heizwendeln (Filamente), meist aus Wolfram. Die Heizwendel wird mit einer Heizspannung von etwa 5–20 V und einer Heizstromstärke von etwa 3–8 A betrieben. Dadurch erreicht der Wolframdraht Temperaturen von etwa 2000–2500 °C. Durch diese Erwärmung treten Elektronen aus der Metalloberfläche aus (Thermoemission).
Die freigesetzten Elektronen sammeln sich zunächst in der Umgebung der Kathode und bilden eine negativ geladene Raumladungswolke. Diese Raumladung begrenzt den Elektronenstrom, da sich die Elektronen gegenseitig elektrostatisch abstoßen.
Die Kathode ist von einem metallischen Fokussierbecher umgeben, dem sogenannten Wehnelt-Zylinder. Dieser ist gegenüber der Heizwendel leicht negativer geladen und erzeugt ein elektrisches Feld, das die emittierten Elektronen elektrostatisch bündelt. Dadurch entsteht ein fokussierter Elektronenstrahl, der gezielt auf die Anode gerichtet wird und dort den Brennfleck bildet.
Anode
Die Anode ist das Ziel der beschleunigten Elektronen. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Anodenmaterial wird ihre kinetische Energie überwiegend in Wärme und zu einem kleinen Teil in Röntgenstrahlung umgewandelt. Der Auftreffpunkt der Elektronen auf der Anode wird als Brennfleck bezeichnet. Als Anodenmaterial wird meist eine Wolfram-Rhenium-Legierung auf Molybdänträger verwendet, da es eine hohe Ordnungszahl und einen sehr hohen Schmelzpunkt besitzt.
Man unterscheidet zwei Anodentypen:
- stationäre Anoden
- rotierende Anoden
Rotierende Anoden werden in diagnostischen Röntgenröhren verwendet, da sie die Wärmebelastung besser verteilen.
Hochvakuumhülle
Kathode und Anode befinden sich in einer evakuierten Hülle. Das Hochvakuum verhindert Kollisionen der Elektronen mit Gasmolekülen und ermöglicht eine ungehinderte Beschleunigung der Elektronen.
Frühere Röntgenröhren besaßen meist Glashüllen. Moderne Röhren bestehen häufig aus Metall-Keramik-Konstruktionen.
Schutzgehäuse
Die Röntgenröhre ist von einem Schutzgehäuse umgeben, das mehrere Funktionen erfüllt:
- mechanischer Schutz
- elektrische Isolation
- Wärmeabfuhr
- Strahlungsabschirmung
Das Gehäuse ist meist mit Öl gefüllt, das als Kühl- und Isolationsmedium dient. Die Röntgenstrahlung verlässt die Röhre durch ein dünnes Austrittsfenster im Schutzgehäuse.
Funktionsprinzip
In der Röntgenröhre werden Elektronen durch eine Hochspannung zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Die Röhrenspannung beträgt in der diagnostischen Radiologie typischerweise etwa 20–150 kV. Sie beschleunigt die Elektronen aus der Raumladungswolke in Richtung der Anode. Der dabei fließende Elektronenstrom wird als Röhrenstrom bezeichnet und liegt meist im Bereich von etwa 10–1000 mA.
Mit zunehmender Röhrenspannung werden immer mehr Elektronen aus der Raumladungswolke zur Anode abgesaugt. Wird eine ausreichend hohe Spannung erreicht, gelangen praktisch alle emittierten Elektronen zur Anode. Dieser Zustand wird als Sättigung bezeichnet. Die zugehörige Sättigungsspannung ist diejenige Röhrenspannung, bei der der Röhrenstrom nicht weiter mit steigender Spannung zunimmt, da er dann ausschließlich durch die Elektronenemission der Kathode bestimmt wird.
Der Zusammenhang zwischen Röhrenspannung und Röhrenstrom wird auch als Durchgriff der Röntgenröhre bezeichnet. Eine Röntgenröhre mit großem Durchgriff erreicht die Sättigung bereits bei relativ niedriger Röhrenspannung, da die Raumladungswolke schnell abgebaut wird. Bei kleinem Durchgriff ist eine höhere Spannung erforderlich, um alle emittierten Elektronen zur Anode zu beschleunigen.
Die kinetische Energie der Elektronen beträgt:
mit
- = kinetische Energie des Elektrons
- = Elementarladung
- = Röhrenspannung
Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode entstehen zwei Arten von Strahlung:
Der überwiegende Teil der Elektronenenergie (etwa 99 %) wird in Wärme umgewandelt, nur etwa 1 % in Röntgenstrahlung. Durch die starke Wärmeentwicklung stellt die Kühlung der Anode eine wichtige technische Herausforderung dar. Rotierende Anoden verteilen die Wärme über eine größere Oberfläche und ermöglichen dadurch höhere Leistungen der Röntgenröhre. Zusätzlich wird die Wärme über das Schutzgehäuse und das Kühlöl abgeführt.
Anwendung
Die Entwicklung der Röntgenröhre ermöglichte die gezielte Erzeugung von Röntgenstrahlung und bildete die Grundlage der modernen Radiologie. Röntgenröhren werden heute in zahlreichen medizinischen und technischen Anwendungen eingesetzt, insbesondere in:
- Projektionsradiographie
- Durchleuchtung
- Computertomographie
- industrieller Werkstoffprüfung
Quellen
