Röntgenstrahlung: Entstehung, Spektrum und Nutzung

Röntgenstrahlung gehört wie sichtbares Licht zum elektromagnetischen Spektrum. Ihre Photonen sind jedoch wesentlich energiereicher. Dadurch kann sie Materie durchdringen und Elektronen aus Atomen oder Molekülen lösen.

Röntgenstrahlung ist keine Teilchenströmung aus Elektronen. Die Elektronen werden zu ihrer Erzeugung gebraucht, doch die Röhre sendet elektromagnetische Strahlung aus. Eine ausgeschaltete Röntgenröhre ist keine dauerhaft strahlende radioaktive Quelle. Die Strahlung entsteht nur, solange Elektronen beschleunigt werden und auf die Anode treffen.

Für die Erzeugung werden freie Elektronen, eine hohe Spannung, ein Vakuum und eine Metallanode benötigt. Bei üblichen diagnostischen Röntgenröhren werden nur etwa 0{,}5 bis 1\,\% der elektrischen Leistung zu Röntgenstrahlung; der überwiegende Rest wird Wärme. Die genaue Ausbeute hängt von den Betriebsbedingungen ab. Deshalb muss die Anode thermisch geschützt werden. Eine Drehanode verteilt den Elektronenbeschuss auf eine größere Fläche; Öl- oder Wasserkühlung führt Wärme ab.

Das ausgesandte Röntgenspektrum besteht aus Bremsstrahlung und charakteristischer Strahlung. Beide entstehen an der Anode, aber durch unterschiedliche Vorgänge.

Bei der charakteristischen Strahlung kann ein auftreffendes Elektron ein Elektron aus einer inneren Atomschale des Anodenmaterials herausschlagen. Ein Elektron aus einer äußeren Schale füllt die Lücke. Die dabei frei werdende Energie wird als Röntgenphoton ausgesendet. Die möglichen Energien sind diskret und für das Anodenmaterial typisch.

Kathodenheizung, Röhrenspannung und Filterung erfüllen verschiedene Aufgaben. Für den Vergleich in der Tabelle bleiben Anodenmaterial und alle nicht genannten Einstellungen gleich.

Ein Elektron gewinnt beim Durchlaufen der Anodenspannung U_A die Energie

E=e\cdot U_A

Dabei ist e der Betrag der Elektronenladung. Eine höhere Spannung stellt einem Elektron mehr Energie zur Verfügung. Deshalb kann die maximale Energie der erzeugten Photonen steigen.

Ein Metallfilter, häufig aus Aluminium und bei besonderen Anwendungen zusätzlich aus Kupfer, entfernt bevorzugt niederenergetische Photonen. Diese würden im Körper überwiegend absorbiert und wenig zur Bildentstehung beitragen. Das Entfernen dieses Anteils heißt Aufhärtung. Ein Filter entfernt Photonen aus einem bereits erzeugten Spektrum und verändert dessen maximale Energie nicht.

Bei einer Aufnahme durchläuft die Strahlung den Körper oder einen technischen Gegenstand. Ein Detektor auf der anderen Seite misst, wie viel Strahlung ankommt. Verschiedene Materialien schwächen die Strahlung unterschiedlich stark.

Knochen absorbieren mehr Röntgenstrahlung als viele Weichteile. Hinter einem Knochen erreicht daher weniger Strahlung den Detektor. In der üblichen Röntgendarstellung erscheint dieser Bereich hell. In der Materialprüfung können Unterschiede in der Abschwächung beispielsweise Risse oder Hohlräume sichtbar machen.

Bei einer Röntgenröhre geht es um äußere Bestrahlung mit ionisierenden Photonen. Die Aufnahme radioaktiver Stoffe in den Körper wäre ein anderer Expositionsweg; sie gehört nicht zu diesem Röhrenbeispiel. Die Aktivität einer radioaktiven Quelle in Becquerel beschreibt eine Röntgenröhre nicht.

Bei medizinischen Untersuchungen werden Nutzen, Dosis und mögliche Alternativen abgewogen. Filter, ein abgeschirmtes Röhrengehäuse, ein auf das Untersuchungsgebiet begrenztes Strahlenfeld und eine passende Belichtungszeit helfen, die Dosis zu begrenzen. Für beruflich Exponierte zählen auch Abstand, kurze Aufenthaltsdauer und Abschirmung.

Die Strahlenschutzkommission empfiehlt seit 2022, Schutzmittel am Patienten je nach Untersuchung gezielt einzusetzen. Falsch platzierte Schutzmittel können die Bildqualität mindern oder die Dosis erhöhen. Die Auswahl trifft das Fachpersonal. Experimente mit Röntgengeräten oder ionisierender Strahlung gehören nicht in die Schule oder nach Hause.