M P - Inhaltsverzeichnis - Biologische Wirkungen Ionisierender Strahlung

Röntgenstrahlen

Einteilung der Röntgenstrahlung
Erzeugung der Röntgenstrahlung
Grenzwellenlänge
Wirkungsgrad und Strahlungsleistung
Eigenschaften der Röntgenstrahlen
Anwendung der Röntgenstrahlen

Einteilung der Röntgenstrahlung

• Die Röntgenstrahlen wurden 1895 von W. C. Röntgen entdeckt (Nobelpreis 1901).
• Elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen < 1 nm werden als Röntgenstrahlen bezeichnet.
• Die Röntgenstrahlung wird
  • in die Röntgenbremsstrahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum und einer Grenzwellenlänge und
  • in die charakteristische Röntgenstrahlung mit einem Linienspektrum unterteilt.

Erzeugung der Röntgenstrahlung

• Röntgenstrahlen entstehen durch die Wechselwirkung elektrisch geladener Teilchen mit Materie.
• Röntgenstrahlung wird
  • in Röntgenröhren,
  • in Linearbeschleunigern und
  • in Betatrons erzeugt.
• Aufbau einer Röntgenröhre
  • Evakuiertes Metall- (Glas-)gefäß
  • Glühkathode zur Erzeugung der Elektronen (Glühemission)
  • Heiztransformator mit Heizstromregler
  • Hochspannungstransformator mit Gleichrichter, Hochspannungsregler und Voltmeter zur Messung der Röhrenspannung U (kV)
  • Röhrenspannung = Gleichspannung bis 500 kV zwischen Kathode und Anode zum Beschleunigen der Elektronen
  • Anode aus einem hochschmelzenden Metall mit Kühlvorrichtung zur Erzeugung der Röntgenstrahlung durch Abbremsen der Elektronen
  • Milliamperemeter zur Messung des Röhrenstroms I (mA)
  • Kollimator zum Ausblenden des Nutzstrahlbündels
  • Filter für die Aufhärtung der Röntgenstrahlung
• Die elektrische Leistung P einer Röntgenröhre ist das Produkt aus Röhrenstrom und Beschleunigungsspannung U : P = I · U (W)
• Die Energie der Elektronen E_e- ist das Produkt aus Elektronenladung und Beschleunigungsspannung : E_e- = e · U (eV)

Grenzwellenlänge

• Die Grenzwellenlänge stammt von Elektronen, deren gesamte kinetische Energie in Strahlungsenergie E_grenz umgewandelt wird.
  • Photonenenergie: E_grenz = m·v²/2 = e·U
  • Grenzwellenlänge (nm) = 1,24 / U (kV)
• Die Härte = Durchdringungsfähigkeit der Röntgenstrahlung steigt mit zunehmender Spannung.

Wirkungsgrad und Strahlungsleistung

• Der Wirkungsgrad gibt den Bruchteil der elektrischen Leistung an, der in Strahlungsleistung umgesetzt wird.
• Der Wirkungsgrad ist direkt proportional der Spannung und der Ordnungszahl
  • Wirkungsgrad w = C · U · Z ; (C = 1·10^-6 / kV = 1·10^-9 / V )
• Die Strahlungsleistung I ist das Produkt von Wirkungsgrad und elektrischer Leistung P
  • Strahlungsleistung I = w · P

Eigenschaften der Röntgenstrahlen

• Hohe Durchdringungsfähigkeit für nahezu alle Materialien
• Geradlinige Ausbreitung und geometrischer Schattenwurf
• Absorption in Abhängigkeit von der Ordnungszahl
• Beugung an Kristallgittern
• Erregung von Lumineszenz
• Ionisation von Materie
• Schwärzung photographischer Schichten

Anwendung der Röntgenstrahlen

• Medizin und Veterinärmedizin
  • Diagnostik
    • Röntgendurchleuchtung mit Röntgenbildverstärkern
    • Röntgenaufnahmen auf Röntgenfilm
    • Untersuchungsverfahren wie Angiographie
    • Röntgencomputertomographie CT
  • Therapie
    • Bestrahlung maligner Strukturen
• Technik
  • Sicherheitsprüfungen von Paketen und Gepäcksstücken
  • Prüfung von Materialien und Werkstücken
  • Prüfung von Verbindungen (Schweißnähten)
• Wissenschaft
  • Strukturuntersuchungen von Materialien
    • Röntgenstrahlbeugung an Kristallgittern
  • Erzeugung elektronischer Schaltkreise
    • Röntgenstrahllithographie
  • Erforschung des Weltalls
    • Röntgenteleskope

Die analog aufzeichnenden Röntgenverfahren und Röntgenfilme werden heute durch digitale Röntgenverfahren und digitale Speichermedien ersetzt.

Begriffe:		Röntgenstrahlen	Röntgenbremsstrahlung 
charakteristische Röntgenstrahlung	Energie eines Elektrons 
Grenzwellenlänge	Röntgenröhre	Glühkathode 
Anode		Beschleunigungsspannung	Kollimator 
Wirkungsgrad	Strahlungsleistung	Elektrische Leistung 
Röntgendiagnostik	Röntgentherapie	Materialforschung 
Materialprüfung		Röntgenstrahlbeugung 

Formeln: Eigenschaften von Röntgenstrahlen

1. Energieverlust eines Photons und Wellenlänge der emittierten Strahlung
L = h c/(DE)
....................... L = Wellenlänge der emittierten Strahlung
...................... DE = Energieverlust des Elektrons
....................... h = 6,63 · 10-34 Js Plancksches Wirkungsquantum 
....................... c = 2,99 · 108 m/s Vakuumlichtgeschwindigkeit

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2. Energie eines Elektrons nach Durchlaufen der Röhrenspannung U:
Ee- = e U..................... e = 1,602 · 10-19 C Elektronenladung

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3. Grenzwellenlänge und Photonenenergie:
Elektronen werden durch die Röhrenspannung U beschleunigt.
Die Grenzwellenlänge stammt von Elektronen, deren gesamte kinetische 
Energie in Strahlungsenergie Egrenz umgewandelt.

Energie der beschleunigten Elektronen : Ee- = e U

Photonenenergie: Egrenz = h c/l = e U

Grenzwellenlänge: ... l = h · c/(e U)
Plancksches Wirkungsquantum .............. h = 6,63 · 10-34 Js
Vakuumlichtgeschwindigkeit ............... c = 2,99 · 108 m/s
Elektronenladung ......................... e = 1,602 · 10-19 C

Grenzwellenlänge (nm) = 1,24 / U (kV)
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4. Wirkungsgrad und Strahlungsleistung einer Röntgenröhre:
Wirkungsgrad w = C · U · Z
....................... Konstante ........ C = 1 · 10-6 /kV
....................... Röhrenspannung ... U
....................... Kernladungszahl .. Z
....................... des Anodenmaterials

Strahlungsleistung einer Röntgenröhre

Ir = w · P = w · I · U = C · Z · I · U²
....................... Strahlungsleistung Ir
....................... Elektr. Leistung... P = I · U (W)
....................... Röhrenstrom ....... I (A)
....................... Röhrenspannung .... U (V)

Rechnungen Eigenschaften von Röntgenstrahlen

1. Energieverlust eines Photons und Wellenlänge der emittierten Strahlung:
Ein Elektron verliert durch Wechselwirkung mit dem Anodenmaterial
20 keV an Energie, die als Photon emittiert wid. Berechne die 
Wellenlänge der emittierten Strahlung in nm.
Angaben : ..... Energieverlust ............DE = 20 keV
............... Plancksches Wirkungsquantum h = 6,63 10-34  Js
............... Lichtgeschwindigkeit ...... c = 2,99 108  m/s
............... Elektronenvolt ......... 1 eV = 1,602 0-19  J
Ergebnis: Die Wellenlänge der emittierten Strahlung ist ...... nm.

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2. Grenzwellenlänge einer Röntgenröhre:
Angaben : Berechne die Grenzwellenlänge der 
Röntgenbremsstrahlung
......... für eine Röntgenröhre mit einer Röhrenspannung 
......... U = 120 kV
Ergebnis: Die Grenzwellenlänge beträgt ...... nm.

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3. Grenzwellenlänge eines Linearbeschleunigers:
Angaben : Berechne die Grenzwellenlänge der Röntgenbremsstrahlung
......... für einen 12 MeV Linearbeschleuniger.
Ergebnis: Die Grenzwellenlänge beträgt ...... nm.

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4. Wirkungsgrad und Strahlungsleistung einer Röntgenröhre:
Angaben : Röntgenröhre mit Wolframanode: Z = 74
......... Röhrenspannung ............... U = 120 kV
......... Röhrenstrom .................. I = 2 mA
......... Konstante des Wirkungsgrades.. C = 1 · 10-6  /V
Ergebnis: Der Wirkungsgrad beträgt ...... = ...... % .
......... Die Strahlungsleistung ist ..... W.

Schema Röntgenröhre

Übung Erzeugung und Eigenschaften von Röntgenstrahlen

1. Skizziere den Aufbau einer Röntgenröhre:
Beschrifte die Teile einer Röntgenröhre und zeichne den 
Elektronenfluss und die emittierte Röntgenstrahlung ein. Zeichne 
die Messgeräte für Röhrenstrom und Röhrenspannung ein.
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2. Skizziere des Spektrum der Röntgenbremsstrahlung und der 
charakteristischen Röntgenstrahlung:
Zeichne die Grenzwellenlänge ein und gib die Formel dafür an.

Fragen Erzeugung und Eigenschaften der Röntgenstrahlung