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:
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:
Pressler Röntgenröhre, Druck im Inneren: ca. 0,025 Torr, Länge: ca. 29 cm
Kathodenhals mit Aktivkohle-Regulator
Hohlspiegelkathode
Anode und Hilfsanode
Target
Im Betrieb mit ca. 40 kV
Geöffnete Röntgenkassette mit Verstärkerfolie 400
Röntgenbild eines Taschenrechners von der Verstärkerfolie abfotografiert (ISO 250, 10 s, MF)
Computermaus (ISO 320, 10 s, MF)
Schutzkleidung: Röntgenschürze, Schilddrüsenschutz
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.....
das wären dann imerhin 200.000 Watt.
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