Raumladung
Englisch: space charge
Definition
Die Raumladung bezeichnet die Ansammlung freier Elektronen in der Umgebung der Kathode einer Röntgenröhre, die durch Thermoemission aus der Kathodenoberfläche austreten.
Hintergrund
In der Röntgenröhre werden Elektronen durch Erhitzung der Kathodenwendel emittiert. Unmittelbar nach ihrem Austritt sammeln sich viele dieser Elektronen in der Nähe der Kathode und bilden eine negativ geladene Elektronenwolke, die als Raumladung bezeichnet wird. Da Elektronen negativ geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig elektrostatisch ab. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das den weiteren Austritt von Elektronen aus der Kathode teilweise behindert. Die Raumladung wirkt somit als begrenzender Faktor für den Elektronenstrom.
Bei niedriger Röhrenspannung erreichen nicht alle emittierten Elektronen die Anode. Ein Teil der Elektronen bleibt in der Raumladungswolke oder kehrt zur Kathode zurück. In diesem Betriebsbereich wird der Röhrenstrom hauptsächlich durch die Raumladung bestimmt. Man spricht vom raumladungsbegrenzten Betrieb der Röntgenröhre.
Mit steigender Röhrenspannung wird das elektrische Feld zwischen Kathode und Anode stärker. Dadurch werden zunehmend mehr Elektronen aus der Raumladung zur Anode beschleunigt. Wird eine ausreichend hohe Spannung erreicht, gelangen praktisch alle emittierten Elektronen zur Anode. In diesem Zustand wird der Röhrenstrom nur noch durch die Elektronenemission der Kathode bestimmt. Diese Spannung wird als Sättigungsspannung bezeichnet.
Bedeutung in der Röntgentechnik
Die Raumladung beeinflusst wesentlich das Verhalten der Röntgenröhre und bestimmt den Zusammenhang zwischen Röhrenspannung und Röhrenstrom. Wichtige Einflussfaktoren sind:
- Temperatur der Kathodenwendel
- Elektronenemission durch Thermoemission
- elektrische Feldstärke zwischen Kathode und Anode
Die Kontrolle der Raumladung ist daher entscheidend für eine stabile Erzeugung von Röntgenstrahlung. Der Wehnelt-Zylinder dient zusätzlich dazu, die emittierten Elektronen zu fokussieren und den Elektronenstrahl in Richtung des Brennflecks zu bündeln.