Röntgen

Definition: Röntgen ist die Einheit der Ionendosis. Kurzzeichen: R. Die Ionendosis von 1 Röntgen liegt vor, wenn durch Gamma- oder Röntgenstrahlung in 1 cm^3 trockener Luft unter Normalbedingungen (1,293 mg Luft) eine Ionenmenge von einer elektrostatischen Ladungseinheit erzeugt wurde.

Die Einheit Röntgen war noch bis Ende 1985 amtlich zugelassen. Die neue Einheit der lonendosis ist Coulomb durch Kilogramm (C/kg).

1R =258 µC/kg; 1 C/kg = 3876 R

Röntgenstrahlen wurden 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt und von ihm X-Strahlen genannt. Die Bezeichnung X-Strahlen (X-Ray) ist in vielen Ländern auch heute gebräuchlich. Die Röntgenstrahlen bilden einen Teil des elektromagnetischen Spektrums und umfassen Wellenlängen von ca. 10^-6 cm bis 10^-11 cm. Die wichtigste Eigenschaft der Röntgenstrahlung ist die Fähigkeit, Materie mehr oder weniger gut zu durchdringen. Aufgrund dessen werden die Röntgenstrahlen eingesetzt um die Zusammensetzung eines Körpers darzustellen, und zwar in dem Maße, wie sich die Teile des Körpers hinsichtlich der von ihnen jeweils absorbierten Strahlenmenge voneinander unterscheiden. Wenn also ein Röntgenstrahlenbündel durch einen Teil des Körpers geschickt wird, zeigt die austretende Strahlung Intensitatsunterschiede, die man Strahlungskontraste nennt. Die Gesamtheit der Kontraste in dem austretenden Bündel ergibt ein Schattenbild des Gegenstandes, das als Strahlungsrelief bezeichnet wird.  Jedes sichtbare Röntgenbild ist durch seine Kontraste und Schärfe charakterisiert. Unter Kontrastunterschieden versteht man die Helligkeitsunterschiede zwischen verschiedenen Details des im Bild dargestellten Objektbereiches. Die Kontrastunterschiede werden hervorgerufen durch die unterschiedliche Schwächung der Röntgenstrahlung bei Durchgang durch das Objekt. Bei entsprechender Strahlenqualität, die durch Höhe der Betriebsspannung, Spannungsform und Filterung beeinflußt ist, werden unterschiedliche Objektdetails in ihrem Kontrast sichtbar.

Ein wesentlicher Faktor für den Kontrastumfang des Röntgen- Schattenbildes ist die Strahlungshärte (kV-Wert). Unterhalb von 60 kV spricht man von weicher, zwischen 60 und 100 kV von mittelharter und bei Betriebsspannungen oberhalb von 100 kV von harter Strahlung.  Röntgenstrahlen bis 100 kV ergeben kontrastreichere Bilder als Röntgenstrahlen über 100 kV. Um bei Menschen Organe oder Teile mit geringem Schwächungsvermögen deutlicher von der Umgebung unterscheiden zu können, lassen sich zusätzlich künstliche Kontrastmittel einsetzen. Die Absorptionsunterschiede können durch Wahl einer niedrigeren Spannung vergrößert werden, denn die Absorption verhalt sich zur dritten Potenz der Wellenlänge und diese zur Röhrenspannung umgekehrt proportional. Bei einer Spannung von 60 kV beträgt die Absorption beispielsweise das Vierfache im Verhältnis zu einer Spannung von 100 kV. Sehr geringe Absorption unterschiede in einem Objekt können daher nur dann in wahrnehmbare Kontraste umgewandelt werden, wenn extrem niedrige Spannungen anliegen, z. B. bei der Mammographie.

Man kann jedoch die Spannung nicht unbegrenzt herabsetzen. Das liegt einmal an der Tatsache, daß Objekt oder Teile davon nicht mehr durchdrungen werden, da die Strahlung vollständig absorbiert wird, zur anderen daran, daß niedrige Spannungen eine wesentlich höhere Strahlendosis (lange Belichtungszeiten, hohe Röhrenbelastung, hohe Hautdosis) zur Voraussetzung haben, um die erforderliche Belichtungsdosis auf den Film zu erreichen. Höhere Röhrenspannung bedeutet in allgemeinen einen niedrigeren Schwächungskoeffizienten des Objekts. Das Ausmaß, in dem der Schwächungsgrad abnimmt, variiert beträchtlich und hängt von dem Schwächungskoeffizienten der verschiedenen Gewebearten im Körper ab. Der Schwächungsgrad von Geweben mit Atomen hoher Ordnungszahl (Knochengewebe im Bereich von 50 bis 125 kV und darüber nimmt relativ stärker ab als der Schwächungsgrad von Geweben mit Atomen niedriger Ordnungszahl, (z. B. Muskeln und Fett). Das bedeutet, daß die Kontraste vom Knochen zu den sie umgebenden Weichteilen bei Erhöhung der Röhrenspannung viel mehr abnehmen, als die Kontraste in der Weichteilen selbst oder zu den Weichteilchen, die Luft enthalten.

Erzeugung der Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlen entstehen, wenn Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf Materie auftreffen (Bild 1.1). Auf diese hohe Geschwindigkeit werden die Elektronen im Vakuum der Röntgenröhre dadurch beschleunigt daß sie nach ihrem Austritt aus der Kathode, ein durch Röhrenspannung erzeugtes elektrisches Feld zwischen Kathode und Anode durchlaufen. In der Röntgendiagnostik liegt diese Röhrenspannung (meist kurz als ,k' oder kV-Wert" bezeichnet) im Bereich von 25 bis 150 kV (1 kV = 1000 Volt). Den Auftreffpunkt der Elektronen auf der Anode bezeichnet man als Brennfleck oder Fokus.

Ein Elektron, das von einer Spannung von 1 V beschleunigt wird, hat dadurch eine Energie von 1eV aufgenommen.

Bild 1.1

Erzeugung der Röntgenstrahlung im Brennfleck der Anode. Nach Durchlaufen des elektrischen Feldes der Röhrenspannung U prallen die Elektronen auf die Anode: dabei wird ihre kinetische (Bewegungs-) Energie in Röntgenstrahlung zu etwa 1 % und Wärme (zu etwa 99 %) umgewandelt.

Kontinuierliches Röntgensprektrum

Die Intensität der Röntgenstrahlung nimmt bei gleichbleibender Hochspannung mit der Ordnungszahl des verwendeten Anodenmaterials zu. Die Wellenlänge der entstehenden Strahlung ist aber unabhängig von der Natur des Anodenmaterials. Das nach des hier beschriebenen Vorgängen entstehende Röntgenspektrum, das Strahlen verschiedener Wellenlänge enthält, wird kontinuierliches Röntgensprektrum oder Bremsstrahlung genannt. In Analogie zum Licht spricht man auch von weißem Röntgenlicht.

Das charakteristische Röntgenspektrum

Wird die Beschleunigungsspannung soweit erhöht, daß die Energie der Elektronen

ausreicht um ein kernnahes Elektron aus einem Atom herauszuschießen, so überlagert

sich dem kontinuierlichen Röntgenspektrum eine Linienstrahlung. Die Wellenlänge dieser Strahlung ist charakteristisch für jedes Element und wird daher als charakteristische Röntgenstrahlung bezeichnet.

Wellen und Quanten

Röntgenstrahlen bilden einen Teil des in Bild 2 dargestellten elektromagnetischen Spektrums. Sie unterscheiden sich wie auch die Gamma- und Höhenstrahlung, von anderen elektromagnetischen Wellen. z.B. Licht, Wärme oder Rundfunkwellen, nur dadurch, daß sie eine höhere Energie haben. Elektromagnetische Wellen transportieren Energie. Daher wärmen Sonnenstrahlen und Mikrowellen. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist gleich der Lichtgeschwindigkeit c (c = 2,99 · 10^8 ms^-1).

Bei Betrachtungen über die Eigenschaften der Strahlungen des elektromagnetischen Spektrums benutzt man sowohl die Wellen- als auch die Quantenvorstellung. So werden üblicherweise Rundfunk- und Fernsehwellen durch ihre Wellenlängen bzw. ihre Frequenzen, die energiereichen Strahlungen, wie kosmische Strahlung, Strahlung radioaktiver Isotope und Röntgenstrahlung, durch ihre Energie (in keV, MeV usw.) charakterisiert. Dieser Dualismus von Quanten und Wellen ist aber kein Widerspruch: beides sind letztlich nur Modellvorstellungen.

In der Röntgendiagnostik benutzt man bevorzugt das Quantenmodell. So sind z. B. die Entstehung der Röntgenstrahlung, aber auch Vorgänge wie Absorption und Streuung am Anschaulichsten, wenn man sich Röntgenstrahlung als einen Strom von ,Energiepaketen' oder energiereichen Teilchen, Photonen oder Quanten genannt, vorstellt. Diese Quantenstruktur der Strahlung kann man, bei sehr niedrigen Dosisleistungen, sogar am Bildschirm von Bildverstärker- Fernsehketten, als Quantenrauschen erkennen. Im Wellenmodell wäre eine Beschreibung und ein Verständnis dieser Vorgänge schwieriger. Die Klammer zwischen den beiden Vorstellungen. d.h. der Energie der Quanten und Frequenz der Wellen, liefert folgende Beziehung: Die Energie eines Quants beträgt E = hv, wobei h = 6,625 · 10^-34 Js das Plancksche Wirkungsquantum und v die Frequenz der Welle ist.                     -Bild 2-

Elektromagnetisches Spektrum; Unter den hier genannten Strahlungen sind Gamma-

und Röntgenstrahlung am energiereichsten, mit der höchsten Frequenz und kürzesten Wellenlänge. Rundfunkwellen haben eine kleine Energie, eine kleine Frequenz und große Wellenlänge.

Anwendung der Röntgenstrahlung

Röntgen in der Medizin

In der Medizin kommt die Röntgenstrahlung vermehrt zum Einsatz. Zur Anfertigung einer guten Röntgenaufnahme müssen zwei Kriterien erfüllt werden.

Das Objekt muß unter Berücksichtigung der anatomischen Gebenheiten richtig gelagert werden, so daß die einfallende Röntgenstrahlung auf den Film projiziert. Zweitens müssen die Aufnahmedaten stimmen, damit die Objektteile in einem guten Kontrast und guter Schärfe abgebildet werden. Dabei darf die Strahlungsdosis nicht zu groß werden, damit für den Organismus keine Schäden auftreten. Einen Auszug davon zeigt folgende Tabelle:

Röntgen in der Werkstoffprüfung

Mit Röntgenstrahlen werden Körper sowie Schweißnähte auf ihre Festigkeit geprüft. Wie hoch die dafür nötige Strahlenergie ist zeigt dieses Bild. Bei internen Fehlern (Hohlräumen) werden die Strahlen weniger geschwächt als bei gesunden Werkstoff. Die austretende Strahlung zeigt dadurch Intensitätsunterschiede, die sich optisch betrachten, fotografisch

festhalten, oder auch mit Meßgeräten erkennen lassen.

Strahlenerzeugendes System

Zum strahlenerzeugenden System rechnet man den Röntgenstrahler, der die Röntgenrohre enthält, und den Röntgengenerator, der die Spannungen und Ströme zum Betrieb des Rontgenstrahlers liefert, und an dem u. a. die Belichtungsdaten eingestellt werden. Außerdem gehören Filter, Primärstrahlenblende und Streustrahlenraster dazu, da sie sich im Strahlengang befinden.

Röntgenröhre

Die Röntgenröhre ist das evakuierte Glas- oder Glas-Metall-Gefäß, mit den beiden Elektroden Kathode und Anode, in dem die Röntgenstrahlung erzeugt wird. Das Vakuum der Röntgenröhre ist ein Hochvakuum in dem ein Luftdruck von nur 10^-5 mbar herrscht.

Kathode

Die Kathode ist die Quelle der Elektronen.  Diese werden vom G1ühfaden emittiert. Zur Fokussierung der Elektronen, d.h. zur Bildung eines scharf begrenzen Brennnflecks auf der Anode, enthält die Kathode die Wehnel-Elektrode (auch: Wehnelt-Zylinder).

Die Heizspannung für die G1ühwendel liefert ein Heiztransformator, der im Hochspan-nungserzeuger eingebaut ist. Die Zuleitung zum Strahler erfolgt mit dem kathodenseitigen Hochspannungskabel. Bei Einkesselgeneratoren entfallen die Hochspannungskabel; die elektrischen Leitungen zwischen Hochspannungserzeuger und Röhre sind dann von außen nicht sichtbar.

Die G1ühwendel glüht wie die Wendel einer G1ühlampe und emittiert dabei Elektronen und zwar um so mehr, je höher ihre Temperatur ist. Die Elektronen bilden den Röhrenstrom der Röntgenröhre. Die Heizleistung bestimmt also die Größe des Röhrenstroms und damit die Quantität (Dosisleistung) der Röntgenstrahlung.

Anode

Wenn zwischen Kathode (negativ) und Anode (positiv) Hochspannung anliegt, werden die Elektronen in Richtung auf die Anode beschleunigt und treffen dort mit hoher Ge-schwindigkeit (etwa 150000 km/s !) auf. Die Stelle, wo sie auftreffen, wird als (elektrischer) Brennfleck oder Fokus bezeichnet. (Als Fokus wird manchmal auch nur der Mittelpunkt des flächenförmigen Brennflecks bezeichnet.)

Im Brennfleck wird etwa 1 % der Elektronenenergie in Röntgenstrahlung und der Rest von 99 % in Wärme umgesetzt. Infolge dieses schlechten Wirkungsgrades entstehen Temperaturen bis etwa 2500°C. Im Routinebetrieb wird häufig die ganze Anode rotglühend. Das Anodenmaterial muß deshalb einen hohen Schmelzpunkt haben. Auch ist eine hohe Ordnungszahl günstig, da der Wirkungsgrad der Röntgenstrahlerzeugung mit höheren Ordnungszahlen ansteigt.

Das beste Anodenmaterial ist Wolfram. Es hat den höchsten Schmelzpunkt (3370°C) aller Metalle und eine hohe Ordnungszahl Z=74. Häufig werden Wolframlegierungen mit Rhenium verwendet; sie enthalten etwa 1O% Rhenium, sind dadurch elastischer als reines Wolfram und neigen bei den hohen thermischen (und infolge der Wärmeausdehnung auch mechanischen) Beanspruchungen weniger zur Rissebildung an der Anodenoberfläche. Dies ist wichtig, denn Aufrauhungen der Anode reduzieren die Dosisausbeute.

Die Forderungen nach kürzeren Aufnahmezeiten (kleine Bewegungsunschärfe!) und

nach kleineren Brennflecken (kleine geometrische Unschärfe!) führten zur Entwicklung der Drehanodenröhren. Durch die Rotation der Anode wird die Erwärmung auf eine größere Fläche verteilt als bei Festanodenröhren.

Quellen: H. Kirscher- Röntgenfeinstrukturanalyse; Hans Kiefer- Strahlen; Dr. Egon Becker- Grobstrukturprüfung mittels Röntgenstrahlung; Hoxter/ Schenz- Röntgenaufnahmetechnik; Manfred Wolf- Röntgen Generatoren; Wolfgang Weißbach- Werkstoffkunde; Internet © Thomas Greiner 3BMK

+: sehr sorgfältig rechiertes und ausführliches Referat, gut verständlich

-: Strukturierung könnte etwas besser sein, Computer-Tomographie fehlt

Keywords: Röntgen Röntgenspektrum Anodenstrahlung