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Röntgenröhre
Eine Röntgenröhre ist eine spezielle Elektronenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Sie besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Kathode und einer …
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Grundprinzip und Strahlungsentstehung
Eine Röntgenröhre ist eine spezielle Elektronenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. In der einfachsten Form besitzt sie eine Kathode und eine Anode. Aus der Kathode treten Elektronen aus; durch eine angelegte Hochspannung werden sie zur Anode beschleunigt und prallen dort auf das Anodenmaterial. Frühe Röhren hatten ein teilevakuiertes Glasgefäß, heutige Hochleistungsröhren ein hochevakuiertes, robustes Metall-Keramik-Gehäuse. Die Bezeichnung bezieht sich auf Wilhelm Conrad Röntgen; Reinhold Burger meldete 1901 erstmals eine Röntgenröhre als Patent an.
Im Betrieb emittiert die Kathode Elektronen, die im elektrischen Feld einer Hochspannung von 25–600 kV zur Anode beschleunigt werden. Beim Einschlag und Abbremsen entstehen drei Strahlungsarten: charakteristische Röntgenstrahlung, Bremsstrahlung und Lilienfeldstrahlung. In Hochleistungsröhren, etwa für Computertomographie und Angiographie, hält ein Metall-Vakuumbehälter deutlich höhere Temperaturen aus. Technische Verbesserungen ändern dabei nicht das Grundprinzip: beschleunigte Elektronen erzeugen beim Auftreffen auf die Anode Röntgenstrahlung.
Charakteristische Strahlung und Bremsstrahlung
Charakteristische Röntgenstrahlung entsteht, wenn die energiereichen Elektronen aus der Röhre Elektronen aus inneren Schalen der Atome im Anodenmaterial herausschlagen. In die entstandenen Lücken springen Elektronen aus höheren Energieniveaus oder freie Elektronen. Weil die Bindungsenergien der inneren Elektronenschalen groß sind, wird dabei kein sichtbares Licht, sondern Röntgenstrahlung mit materialtypischen diskreten Quantenenergien beziehungsweise Wellenlängen ausgesendet. Die frei werdende Energie entspricht zum Beispiel der Differenz zwischen der Bindungsenergie der K-Schale und einer energiereicheren N-Schale. Auch Übergänge zwischen anderen Schalen, etwa K und L, M und K oder M und L, sind möglich.
Für die Bilderzeugung bei Röntgendurchleuchtungen wird diese diskrete Strahlung meist nicht oder nur zu einem kleinen Teil genutzt. Wichtige Ausnahmen sind Mammographie und Kristallanalyse. Bei der Mammographie wird ein Anodenteller aus Molybdän mit passenden Filtern verwendet, sodass die K-Strahlung des Molybdäns für Aufnahmen der Milchdrüse genutzt wird. Für die Kristallstrukturanalyse werden ebenfalls diskrete Wellenlängen benötigt. Abgesehen davon verwendet man in Medizin und Werkstoffprüfung für die Bilderzeugung vor allem Röntgenbremsstrahlung.
Bremsstrahlung entsteht durch Beschleunigung und Abbremsung von Elektronen bei der Streuung an positiv geladenen Atomkernen der Anode. Jede beschleunigte elektrische Ladung, auch beim Abbremsen, erzeugt elektromagnetische Strahlung. Das kontinuierliche Röntgenspektrum hängt von der Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode ab. Die kürzeste Wellenlänge und damit die höchste Energie der Röntgenphotonen ist durch die Energie der auf die Anode treffenden Elektronen begrenzt. Wenn wenige Elektronen durch harte Streuung ihre gesamte kinetische Energie an einzelne Photonen abgeben, spricht man von der Duane-Hunt-Grenzenergie. Sie hängt nicht vom Anodenmaterial ab, sondern nur von der kinetischen Energie der Elektronen. Die Röhrenspannung bestimmt die Härte der Strahlung und damit ihr Durchdringungsvermögen; Elektronenstrom und Spannung bestimmen die Intensität und damit die Helligkeit der Röntgenabbildung.
Kathoden und Elektronenquellen
Die Kathode ist der Teil der Röntgenröhre, aus dem die Elektronen freigesetzt werden. Das kann vor allem durch Erwärmung oder durch hohe elektrische Feldstärken geschehen. Deshalb gibt es unterschiedliche Kathodenarten.
Bei der thermischen Emission besteht die Kathode aus einer Glühwendel, auch Filament genannt, meist aus Wolframdraht. Dieser Röhrentyp wurde 1913 eingeführt und heißt nach William David Coolidge auch Coolidge-Röhre. Die Glühkathode wird durch Stromdurchfluss auf etwa 2000 °C erhitzt. Dadurch treten Elektronen aus dem Metall aus und bilden eine negativ geladene Elektronenwolke, die den Austritt weiterer Elektronen erschwert. Erst wenn an der Anode eine positive Spannung anliegt, werden die Elektronen zur Anode beschleunigt. Besteht die Röhre nur aus Kathode und Anode, ist sie eine Diode. Der Anodenstrom wird durch das elektrische Feld und ab einem Sättigungswert durch den Heizstrom des Filaments bestimmt. Mit einem zusätzlichen Wehneltzylinder vor der Kathode lässt sich der Anodenstrom unabhängig regeln. Der Wehneltzylinder wirkt als Steuergitter, ist gegenüber der Kathode negativ und schwächt das Beschleunigungsfeld der Anode. Eine solche Röhre heißt Triode.
Bei der Feldemission wird das Filament nur mäßig erwärmt. Die Wärme allein reicht noch nicht zur Emission aus, bringt aber viele Elektronen auf ein höheres Energieniveau oberhalb des Fermilevels. Ein positiv geladenes Extraktionsgitter erzeugt im Raum zwischen Kathode und Gitter sehr hohe Feldstärken von mehreren Volt pro Mikrometer. Dadurch werden Elektronen aus dem Filament gezogen. Das starke äußere Feld senkt das Vakuumlevel, also das Potential, das ein Elektron erreichen muss, um den Festkörper zu verlassen. Die Elektronen können zu diesem Vakuumlevel hin durchtunneln und den Festkörper verlassen. Hinter dem Extraktionsgitter folgt wieder ein negativ geladenes Regelungsgitter, der Wehneltzylinder. Feldemissions-Kathoden haben eine sehr kleine Emissionsfläche. Mit Elektronenlinsen kann deshalb auch ein kleiner Auftreffort auf der Anode erreicht werden; die Röntgenstrahlung ähnelt dann einer Punktquelle und ermöglicht detailreichere Untersuchungen sehr kleiner Objekte.
Anoden, Kühlung und Fokus
Die Anode ist das Ziel der beschleunigten Elektronen. Bei einer Fest- oder Stehanode treffen die Elektronen auf eine typischerweise 1 mm × 10 mm große Fläche. In diesem Brennpunkt kann das Anodenmaterial stark abgenutzt werden. Häufig nutzt man Wolfram-Platten, die in Kupfer eingelassen sind. Wolfram hat eine besonders hohe Konversionsrate von elektrischer Energie in Röntgenstrahlungsenergie und zugleich einen hohen Schmelzpunkt. Festanoden für die Kristallstrukturanalyse werden wegen langer Messzeiten meist wassergekühlt; zur Wassereinsparung wird zunehmend Rückkühlung eingesetzt.
Eine Drehanode verteilt die Wärmebelastung. Die erste Drehanode wurde in den 1930er Jahren von Ernst Pohl in Kiel entwickelt. Sie besteht meist aus einem Verbundteller mit Wolfram-Deckschicht und darunterliegender hoch wärmefester Molybdän-Legierung. Der Teller ist über eine Welle mit einem Rotor verbunden; außerhalb der Röhre treibt ein Stator ihn nach dem Prinzip eines Asynchronmotors an. Die Elektronen treffen auf den Rand des rotierenden Tellers, wodurch sich die Wärme aus dem Brennfleck über den Tellerrand verteilt. Das verlängert die Lebensdauer der Anode und erlaubt eine größere Strahlintensität als bei einer feststehenden Anode.
Anodenteller mit etwa 8 bis 12 cm Durchmesser rotieren mit 8000 bis 9000 Umdrehungen pro Minute und laufen meist nicht dauerhaft, weil Kugellager im Vakuum nur wenige hundert Stunden halten. Hochleistungsanoden mit etwa 20 cm Durchmesser drehen bei 3500 bis 6000 Umdrehungen pro Minute im Dauerbetrieb und sind vorzugsweise auf verschleißfreien hydrodynamischen Gleitlagern montiert. Da 99 % der eingesetzten Energie zu Wärme werden, muss die Anode gekühlt werden. Bei Kugellagerröhren geschieht das durch Wärmeabstrahlung, bei Flüssigmetall-Gleitlagern zusätzlich durch direkte Wärmeableitung ins Lager und weiter in Kühlwasser oder Kühlöl.
Der Fokus oder Brennfleck ist der Bereich der Anode, in dem die Röntgenstrahlung entsteht. In der medizinischen Diagnostik soll er möglichst klein sein, damit das Bild scharf wird. Kleine Brennflecke erhöhen aber die Gefahr einer Überhitzung und verringern die mögliche Leistung. Darum haben medizinische Röntgenröhren oft zwei Brennflecke, einen großen und einen kleinen, und heißen dann Doppelfokusröhren. Für scharfe Darstellungen soll der Fokus-Objekt-Abstand möglichst groß sein. Der Fokus-Film-Abstand beeinflusst die Dosis: Mit zunehmendem Abstand nimmt die auftreffende Dosis mit dem Quadrat des Abstands ab. Der Objekt-Film-Abstand sollte möglichst klein sein; das Verhältnis von Fokus-Objekt-Abstand zu Fokus-Film-Abstand bestimmt die Vergrößerung.
Bauformen, Apparaturen und Sicherheit
Eine neuere Bauform ist die Drehkolben-Röhre, auch rotating envelope tube. Dabei ist die Anode Teil der Röhrenwand, und die gesamte Röhre rotiert. Die Kathode sitzt mittig in der Drehachse; der Elektronenstrahl wird magnetisch auf die Kreisbahn der Anode gelenkt. Weil die Anode Teil des Gehäuses ist, kann sie direkt mit Öl gekühlt werden. Als Gehäuse dienen Metall oder Glas. Ein Glasgehäuse kann zugleich als Isolator zwischen Anode und Kathode wirken; bei Metallgehäusen sind zusätzliche Isolatoren aus Rohrglas, Glas oder Keramik nötig. Diese Konstruktion erlaubt sehr leistungsstarke Röhren.
Für den sicheren Betrieb braucht eine Röntgenröhre eine passende Abschirmung in einem Gehäuse. Sie schützt die Röhre mechanisch, isoliert die notwendige Hochspannung und schirmt Röntgenstrahlen in unerwünschte Richtungen durch Blei ab. In der gewünschten Strahlungsrichtung befindet sich ein Austrittsfenster, meist aus Glas oder Berylliumfolie. Häufig wird die Röhre außerdem durch Öl gekühlt und isoliert.
Lilienfeldstrahlung ist eine weitere Erscheinung an Röntgenröhren. Julius Edgar Lilienfeld beschrieb 1919 erstmals eine für das menschliche Auge sichtbare grau-weiße Strahlung an der Anode. Erst später wurde als Ursache die Änderung der Permittivität zwischen dem Vakuum der Röhre und dem Anodenmaterial erkannt.
Auch andere Elektronenröhren, die in der Elektronik als Verstärker oder Schalter dienen, können bei hohen Spannungen unerwünscht Röntgenstrahlung abgeben. Unzureichend abgeschirmte Hochspannungs-Schaltröhren führten bei Radartechnikern, die von den 1950er- bis zu den 1980er-Jahren an Radargeräten arbeiteten, zu schweren Gesundheitsschäden.
Anwendungen und Spezialverfahren
Röntgenröhren werden in vielen Bereichen eingesetzt. In der Medizin dienen sie der Durchleuchtung und Bildgebung, unter anderem in Diagnostik, Computertomographie, Angiographie und Mammographie. Außerdem werden sie bei Gepäckkontrollen und in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung verwendet, zum Beispiel zur Qualitätskontrolle von Schweißnähten. In der Elektronik kommen sie bei der Röntgenlithografie vor. Weitere Anwendungen sind die Kristallstrukturanalyse durch Röntgenbeugung und die quantitative Analyse mittels Röntgenfluoreszenzanalyse.
Zu speziellen Verfahren und Bauformen gehören Hochleistungsröntgenröhren, Weichstrahlröntgen, Röntgenlinsen, Phasenkontraströntgen, Mikrofokusröntgenröhren und Metaljet-Röntgenquellen. Weichstrahlröntgen ist besonders für mammografische Untersuchungen wichtig, weil „weiche“ Röntgenstrahlen dort eine erhöhte Detailgenauigkeit des Bildes ermöglichen. Mikrofokusröntgenröhren sind für sehr kleine Brennflecke ausgelegt und unterstützen dadurch detailreiche Untersuchungen kleiner Objekte.
