Techniklexikon

Röntgenröhre

Medizinische Physik, MedizintechnikFestkörperphysik, Röntgenstrahler, Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, indem durch ein elektrostatisches Feld beschleunigte Elektronen mit hoher Geschwindigkeit mit einem Target-Festkörper kollidieren. Die Röntgenröhre besteht meist aus einer gläsernen Hochvakuumröhre, in der zunächst Elektronen aus einer geheizten Kathode (z.B. aus Wolfram) emittiert werden. Die Elektronen werden dann im elektrischen Feld zwischen der Kathode und einer Anode beschleunigt. Dazu werden üblicherweise Spannungen zwischen 10 und 150 kV angelegt. Die schnellen Elektronen treffen dann auf eine Antikathode, wobei der überwiegende Teil ihrer Bewegungsenergie in Wärme verwandelt wird. Wegen der grossen thermischen Belastung muss die Antikathode gekühlt werden oder drehbar sein und zudem aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt bestehen. Mit geeigneten Filtern können Teile des Röntgenspektrums ausgeblendet werden.

Röntgenröhren werden in Gruppen unterteilt, die sich unterschiedlicher Methoden zur Erzeugung von Röntgenstrahlen bedienen. In Gasröntgenröhren werden Elektronen durch Ionenbeschuss aus einer kalten Kathode geschlagen. Um in der Röhre einen Elektronenstrom bewirken zu können, wird ein gewisser Gasdruck benötigt. Als Targetmaterial wurde ursprünglich Glas benutzt, heute verwendet man oft Platin oder Wolfram. Die Schärfe des Aufprallgebietes am Target und damit die Schärfe der Bilder auf dem fluoreszierenden Schirm oder Film lässt sich durch konkave Metallkathoden verbessern, die den Elektronenstrahl fokussieren.

Die Lebensdauer einer Gasröntgenröhre ist von einem konstanten Gasdruck abhängig. Während des Betriebs kann der Druck in einer Röntgenröhre steigen oder sinken, wobei er unter Verwendung kleiner Ströme meist abfällt. Die Betriebsdauer einer Röntgenröhre kann erhöht werden, indem der Druck wieder erhöht wird. Dazu kann man die Glasröhre oder eine zu diesem Zweck in der Röntgenröhre plazierte Chemikalie erhitzen oder neues Gas eindiffundieren lassen. In vielen Fällen wird der Gasdruck in der Röhre automatisch durch Osmose-Regulatoren aufrechterhalten. Weitere Verbesserungen des grundlegenden Designs sind eine allgemeine Vergrösserung des Röhrenglaskörpers für die Verwendung hoher Leistungen, um den Druckwechsel und das lokale Aufheizen durch das Elektronenbombardement gering zu halten, das Auswechseln dünner Metalltargets gegen schwerere, zweiteilige Targets, bei denen eine refraktierende Metalloberfläche z.B. aus Platin den Elektroneneinschlag hinnimmt und eine schwere, gut wärmeleitende Platte z.B. aus Kupfer die entstehende Wärme vom Fokuspunkt wegtransportiert.

Hochvakuum-Röntgenröhren benutzen heisse Kathoden im Vakuum, so dass die beiden Schwachpunkte der Gasröntgenröhre, der Gasdruck und der Ionenbeschuss, unnötig werden. Hochspannungs-Röntgenröhren sind Vielkammersysteme, die die Spannungsbeschränkung, der normale Röntgenröhren unterliegen, durch sequentielle Höherbeschleunigung der Elektronen umgehen.

Röntgenröhre: Schematischer Aufbau (A: Anode, K: Kathode, MA: Metallabschirmung).