Röntgenstrahlung

Interessante Versuche aus dem Bereich der Physik.

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meganie
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Röntgenstrahlung

Beitrag von meganie »

Röntgenstrahlung

Im Jahr 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen die nach ihm benannte Röntgenstrahlung (X-Strahlen), die seitdem vor allem in der medizinischen Diagnostik und der Materialprüfung Anwendung findet. Für seine Entdeckung erhielt er 1901 den ersten Nobelpreis für Physik. Für seine Versuche verwendete Röntgen eine Ionenröhre, die damals gebräuchlichste Form einer Röntgenröhre mit kalter Kathode. Für diesen Versuch wird eine Röhre ähnlicher Bauart verwendet.


Geräte:

Röntgenröhre, Hochspannungsquelle (mindestens 20 kV), Röntgenkassette mit Verstärkerfolie


Hinweis:

Warnhinweis: hvWarnhinweis: r

Die verwendete Hochspannung ist lebensgefährlich!
Die entstehende Röntgenstrahlung ist erwiesenermaßen krebserregend, unbedingt geeignete Schutzkleidung tragen!



Durchführung:

Die Röntgenröhre wird mit einer Hochspannungsquelle (40 kV, 5 A) verbunden, der Minuspol mit der Kathode und der Pluspol mit der Anode. (Anode und Hilfsanode sind über eine elektrisch leitende Feder verbunden.) Nach dem Einschalten der Hochspannung leuchtet die Röhre grün, dafür verantwortlich ist die Röntgenfluoreszenz einiger Glasbestandteile.
Vor die Röhre wird eine geöffnete Röntgenkassette gestellt. Das zu durchleuchtende Objekt wird zwischen Kassette und Röhre, möglichst nah der der Kassette, platziert. Auf der Verstärkerfolie wird das Röntgenbild des Objekts sichtbar.


Erklärung:

Die Funktion einer Röntgenröhre beruht auf der Beschleunigung von Elektronen aus der Kathode in Richtung Anode. Die Kathode ist bei Ionenröhren als Hohlspiegelkathode ausgeführt, die die Elektronen auf die Anode fokussiert. Der Punkt an dem die Elektronen auf die Anode treffen wird als Brennfleck bezeichnet. Beim Eindringen der Elektronen in das Anodenmaterial (Wolfram, früher Platin) wird charakteristische Röntgenstrahlung und Bremsstrahlung frei. Für die Bilderzeugung ist vor allem die entstehende Bremsstrahlung von Bedeutung. Die Höhe der verwendete Spannung steht im direkten Zusammenhang mit der Energie der emittierten Strahlung. In der Praxis werden Röntgenröhren mit ca. 20-600 kV betrieben. Strahlung höherer Energie durchdringt dickere Materialien leichter, für ein Röntgenbild der flachen Hand wird z.B. eine geringere Energie benötigt als für eine Aufnahme des deutlich dickeren Oberschenkels. Man bezeichnet Röntgenstrahlung mit niedriger Energie auch als "weiche" Strahlung und Röntgenstrahlung mit hoher Energie als "harte" Strahlung. Durch die hier verwendeten 40 kV wird weiche Strahlung erzeugt.
Röntgenröhren wurden seit der Entdeckung im Jahr 1895 stetig weiterentwickelt, das Funktionsprinzip ist allerdings bis heute unverändert. Der größte Schwachpunkt von Röntgenröhren ist die enorme Abwärme, die beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode frei wird, 99% der eingesetzten Energie wird in Wärme umgewandelt. Ionenröhren bieten keine Möglichkeit zur Kühlung der Anode, wodurch nach längerer Betriebszeit starker Verschleiß an der Anode auftritt. In heutigen Röntgenröhren werden Drehanoden verwendet, die aus einem hitzebeständigen Teller bestehen. Durch die ständige Rotation des Tellers treffen die emittierten Elektronen nicht immer auf den gleichen Punkt und die Lebenszeit der Anode wird deutlich verlängert. Der Anodenteller ist auf einer Welle in einem verschleißfreien hydrodynamischen Gleitlager montiert. Die Welle nimmt die Wärme des Anodentellers auf und kann durch das Schmieröl des Gleitlagers direkt gekühlt werden. Außerdem werden in modernen Röntgenröhren keine Kaltkathoden mehr verwendet, sondern Glühkathoden, die deutlich mehr Elektronen emittieren.

Das Material der Röntgen-Verstärkerfolie (Gd2O2S:Tb) wird durch die Röntgenstrahlung zur Fluoreszenz angeregt.
Unterschiedliche Materialien absorbieren die Röntgenstrahlung unterschiedlich stark. Materialien, die Röntgenstrahlung stark absorbieren (z.B. Metall, Knochen, etc.), werden auf der Verstärkerfolie dunkler dargestellt als Materialien, die Röntgenstrahlung wenig absorbieren und mehr Strahlung zur Verstärkerfolie durchlassen (z.B. Kunststoff, Gewebe, etc.).

Anmerkungen:

Röntgen-Schutzkleidung gibt es in verschiedenen Schutzklassen, angegeben im "Pb-eq. X mm". Die gebräuchlichen Schutzklassen für Röntgenschürzen reichen von "Pb 0,25 mm" bis "Pb 0,50 mm". Röntgenkleidung mit einer höheren Schutzklasse sollte hier, trotz des höheren Gewichts, bevorzugt werde!
Röntgen-Verstärkerfolien gibt es in verschiedenen Empfindlichkeitsklassen von 100 (feinzeichnend) bis 800 (höchstverstärkend), dies sollte beim Kauf beachtet werden!
Die Hochspannungsquelle besteht in diesen Fall aus zwei alten Hochleistungszündspulen, einer Ansteuerungsschaltung und einem Autobatterie-Ladegerät (12 V, 5 A).

Bilder:

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Pressler Röntgenröhre, Druck im Inneren: ca. 0,025 Torr, Länge: ca. 29 cm

Bild
Kathodenhals mit Aktivkohle-Regulator

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Hohlspiegelkathode

Bild
Anode und Hilfsanode

Bild
Target

Bild
Im Betrieb mit ca. 40 kV

Bild
Geöffnete Röntgenkassette mit Verstärkerfolie 400

Bild
Röntgenbild eines Taschenrechners von der Verstärkerfolie abfotografiert (ISO 250, 10 s, MF)

Bild
Computermaus (ISO 320, 10 s, MF)

Bild
Schutzkleidung: Röntgenschürze, Schilddrüsenschutz

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Uranylacetat
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Beitrag von Uranylacetat »

Super meganie! :thumbsup: Dank des interessanten Links weiß ich nun, wozu die "Kohle" in manchen X-Röhren dient, die ich in verschiedenen Museen bzw. deren Sonder-Ausstellungen schon sah.....
"Der einfachste Versuch, den man selbst gemacht hat, ist besser als der schönste, den man nur sieht." (Michael Faraday 1791-1867)

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lemmi
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Beitrag von lemmi »

Das beantwortet meine Frage im Bilder-Thread!
Weißt Du, welches Baujahr deine Röhre hat?

Die Erklärungen solltest du noch ausführlicher gestalten, damit man aus dem Artikel auch was lernen kann. Es ist ja nicht eben alltäglich eine klassische Röntgenröhre in aktion zu erleben.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Röhre würden mich brennend interessieren. Wie genau entstehen die Röntgenstrahlen? Was ist der Unterschied dieser Röhre zu den heute verwendeten Röhren? Wie hoch muss die angelegte Spannung mindestens sein? Wie hängen angelegt Spannung und Energie der erzeugten Strahlen zusammen?

Man könnte das auch noch um ein paar historische Details ergänzen - fände ich absolut lohnend!
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher."(A. Einstein 1871-1955)

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meganie
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Beitrag von meganie »

Ich habe die Einleitung jetzt deutlich ausführlicher gestaltet, deine Fragen sollte da jetzt alle beantwortet sein.
Sonst noch historische Details, die dir fehlen?

Das Alter der Röhre ist schwierig zu beurteilen, Pressler hat diese Röhren quasi unverändert von ca. 1900 bis in die 1970er Jahre gebaut. Vermutlich stammt die Röhre aus den 50er/60er Jahren, sie könnte aber auch deutlich älter sein.

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wirehead
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Beitrag von wirehead »

Ergänzend:
Bei der Röhre hier handelt es sich im Gegensatz zu modernen Röntgenröhren um eine Ionenröhre. Der Unterschied liegt beim um Größenordnungen höheren Betriebsdruck. Bei der Ionenröhre findet die Beschleunigung durch den Kathodenfall nahe der Kathodenoberfläche statt. Die Kathode ist hier gekrümmt ausgeführt um eine Fokusierung der Elektronen auf die Antikathode zu erreichen. Die Brennweite wird durch die Krümmung und den Gasdruck bestimmt (Geometrie des Kathodenfalls und damit des Beschleunigungsfeldes).
Die Hohlkathode geht auf Crookes und(?) Goldstein zurück, die Glühlkathode wurde später von Coolidge eingeführt.

Denke wenn man das ganze historisch aufarbeiten will muss man da weiter ausholen und die Entwicklung der Röntgen und Lenardröhre betrachten.
Einen paar Seiten kann man dazu hier lesen: Elektronengeräte: Prinzipien und Systematik, E. Brüche, A. Recknagel, S.188 - 221
Kann aber sein das das hier auch den Rahmen sprengt, hab leider auch zu wenig Zeit um da mal nen umfassenden Artikel zu verfassen... Gibts sicher auch schon irgendwo.

Korrekturen: Elektronen dringen in das Anodenmaterial ein.
Ekki Ekki Ekki Patang!

meganie
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Beitrag von meganie »

Habe noch den Aspekt mit der Hohlspiegelkathode ergänzt und den Flüchtigkeitsfehler behoben.
Ich wusste nicht, ob ich den Begriff Antikathode verwenden soll, laut Wikipedia ist der veraltet. Deswegen habe ich mich für Anode und Hilfsanode entschieden.

Noch mehr Theorie wollte ich eigentlich nicht reinbringen, hauptsächlich wollte ich hier die praktische Anwendung zeigen, wozu natürlich auch eine kleine theoretische Einleitung gehört.

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Lithiumoxalat
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Beitrag von Lithiumoxalat »

Schön

Ich glaube aber nicht, dass auf dem 6. Bild 40 kV bei 5 A an der Röhre anliegen :? das wären dann imerhin 200.000 Watt.
Wo bekommt man denn solche Röntgenkasetten?

mfG
Lithiumoxalat

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lemmi
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Beitrag von lemmi »

Sehr schöne Erklärung! Ich habe mir erlaubt, sie aus der Einleitung dahin zu verschieben, wo sie hingehört: in die Erklärung.

Noch zwei Verständnisfragen: Wozu zwei Anoden? Was ist der Unterschied zwischen "charakteristischer Röntgenstrahlung" und "Bremsstrahlung"?
Interessensfrage: bei deinen 40 kV, welche Strahlen werden da erzeugt? Eher weiche oder eher harte Röntgenstrahlen?

Und du hattest doch auch beim Betrieb deiner Geissler-Röhre die Entstehung von Röntgenstrahlen vermutet! Spricht die Verstärkerfolie da auch an?
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meganie
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Beitrag von meganie »

Lithiumoxalat hat geschrieben:Ich glaube aber nicht, dass auf dem 6. Bild 40 kV bei 5 A an der Röhre anliegen :? das wären dann imerhin 200.000 Watt.
Wo bekommt man denn solche Röntgenkasetten?
Die verwendet Schaltung funktioniert ähnlich wie der Wagnersche Hammer bei einem Funkeninduktor, der Strom liegt also nicht dauerhaft an. Schaltfrequenz: ca. 200 Hz
Gebrauchte Röntgenkassetten gibt es auch bei ebay oder ebay Kleinanzeigen.
lemmi hat geschrieben:Sehr schöne Erklärung! Ich habe mir erlaubt, sie aus der Einleitung dahin zu verschieben, wo sie hingehört: in die Erklärung.

Noch zwei Verständnisfragen: Wozu zwei Anoden? Was ist der Unterschied zwischen "charakteristischer Röntgenstrahlung" und "Bremsstrahlung"?
Interessensfrage: bei deinen 40 kV, welche Strahlen werden da erzeugt? Eher weiche oder eher harte Röntgenstrahlen?

Und du hattest doch auch beim Betrieb deiner Geissler-Röhre die Entstehung von Röntgenstrahlen vermutet! Spricht die Verstärkerfolie da auch an?
Es gibt auch Ionenröhren mit nur einer Anode, moderne Röntgenröhren haben immer eine Anode. Vermutlich führen 2 Anoden bei einer Ionenröhre zu einer effizienteren Beschleunigung der Elektronen in Richtung Anode.
Bei 40 kV Beschleunigungsspannung wird weiche Strahlung erzeugt.

Die "Strahlung" der Geissler-Röhre trat nur stark begrenz an der Anode auf, ich vermute da eher eine falsch positive Messung. Werde es aber gleich nochmal mit der Folie ausprobieren.

CD-ROM-LAUFWERK
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Beitrag von CD-ROM-LAUFWERK »

200 Hz? Laut Link kann man 1-40kHz einstellen?

meganie
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Beitrag von meganie »

Die Beschreibung ist veraltet, bei ebay gibt's eine neue Beschreibung: http://www.ebay.de/itm/281824801876
Es sind jetzt 2 Frequenzbereiche wählbar. Dann soll man die Frequenz noch an einem Trimmer verstellen können, kann da allerdings keinen Unterschied hören. Frequenz könnte irgendwo zwischen 100 und 400 Hz liegen.

Die Verstärkerfolie reagiert nicht auf die Geissler-Röhre.

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Uranylacetat
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Beitrag von Uranylacetat »

Weil lemmi nach Bremsstrahlung fragte, hat das meine Neugierde geweckt und ich fand folgendes interessantes PDF.Paper :wink: :

Aufbau der Röntgenapperatur von PD Dr. Frank Zöllner / Computer Assisted Clinical Medicine - Faculty of Medicine Mannheim

Wikipedia beschreibt die Bremsstrahlung im Detail.
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meganie
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Beitrag von meganie »

Ich habe versucht den Brennfleck zu fotografieren, allerdings mit mäßigem Erfolg:

BildBild

Auf dem rechten Bild habe ich den Bereich ausgeschnitten und die Helligkeit erhöht. Der kleine, orangene Punkt ist der Brennfleck, an dieser Stelle treffen die Elektronen auf die Anode und die Strahlung entsteht.


Sonst noch Verbesserungsvorschläge zum Artikel?

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Phil
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Beitrag von Phil »

Ein toller Artikel, danke. Giebt es nicht auch Neutronenrören? Ich meine mal so was gelesen zu haben, dass es Röhren giebt die Neutronen aussenden anstelle der Röntgenstrahlen.

CD-ROM-LAUFWERK
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Beitrag von CD-ROM-LAUFWERK »

Sofern in der Röhre keine Kernprozesse (spaltung oder fusion) stattfinden: Nein.

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