Röntgenstrahlung: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 2. Mai 2011, 21:09 Uhr

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).

Geschichte

Am 8. November 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg die unsichtbaren Strahlen. Ausgehend von dieser Entdeckung entwickelte Carl Heinrich Florenz Müller gemeinsam mit Ärzten die erste wassergekühlte Anode. Seit über 100 Jahren ist "Röntgen" in Form der Röntgendurchleuchtung und Röntgenaufnahme die Grundlage vieler medizinischer Untersuchungen.
Moderne medizinische Diagnoseverfahren wie Computertomographie, Emissions-Computertomographie, Magnetresonanztomographie,
Sonographie und Subtraktionsangiographie basieren letztlich auf Entwicklungen der röntgenologischen Bildverarbeitung.

Erzeugung der Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlen entstehen, wenn Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf Materie auftreffen . 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. 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.

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.

Anode

Wenn zwischen Kathode (negativ) und Anode (positiv) Hochspannung anliegt, werden die Elektronen in Richtung auf die Anode beschleunigt und treffen dort mit hoher Geschwindigkeit (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.

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 Hochspannungserzeuger 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.

Anwendungen

Medizin

Eine Untersuchung mittels Röntgenstrahlen wird hauptsächlich im Rahmen der medizinischen Diagnostik durchgeführt. Bei Verdacht auf Knochenbrüche, Krebserkrankungen, Fremdkörper oder Anomalien im Gefäßsystem des Menschen kann eine Röntgen-Untersuchung einen ersten Hinweis liefern oder bereits eine deutliche Diagnose ermöglichen. Im Prinzip kann jede Region des Körpers geröntgt werden, wobei die Qualität und Aussagekraft des jeweiligen Bilds stark von der Dichte des untersuchten Gewebes abhängt. Die korrekte Ausrichtung von zu untersuchendem Organ und Röntgengerät spielt ebenfalls eine wichtige Rolle für die Qualität des Bilds.

Materialprüfung

Die radiologische Prüfung findet dann Anwendung, wenn es gilt, makroskopische Fehler im Inneren der Werkstücke, wie Lunker, Gasblasen, Bindefehler an Schweißnähten u. a., festzuhalten. Das Verfahren ermöglicht die genaue Lage und Ausdehnung des Fehlers zu bestimmen und fotografisch festzuhalten. Röntgenstrahlung unterscheidet sich vom vom sichtbaren Licht durch ihre wesentliche Kürzere Wellenlänge und damit verbundendurch höhere Quantenenergie, die eine Durchdringung fester Stoffe ermöglicht. Die Strahlung wird dabei geschwächt. Kurzwellige, d.h. harte Strahlen sind durchdringungsfähiger als langwellige weiche Strahlen. Deshalb lassen sich mit Gammastrahlung (harte Strahlen) dickere Werkstücke durchstrahlen. Die Größe der auf der Rückseite des durchstrahlten Werkstückes austretenden Strahlung ist abhängig von:
1. der Dicke
2. der Wellenlänge der Strahlung
3. der Art des Werkstoffes
Metallische Werkstoffe mit hoher Ordnungszahl sind deshalb nur gering durchstrahlbar (Blei, Wolfram). Die maximal durchstrahlbare Dicke von Eisenwerkstoffen beträgt mit Gammastrahlung 200mm, mit Röntgenstrahlung 100mm. Prüftechnik und Aufnahmeprinzip sind bei Röntgen- und Gammaprüfung identisch. Die aus dem Prüfling austretende, geschwächte Strahlung trifft auf eine doppelt beschichtete Filmfolie und die Imtensitätsunterschiede der ausgetretenen Strahlung setzen sich in Schwärzungsunterschiede des Films um. Das Auflösungsvermögen wird mit Drähten definierter Dicke oder Stufenkeilen ermittelt.

Sicherheit

Gefahren

Die Röntgenstrahlung wirkt auf den Menschen schädigend ein, indem Gewebe -und damit auch Organe- irreversibel verändert, wenn nicht zerstört werden. Auch das Blut kann geschädigt werden. Verheerend ist die krebserregende und erbgutschädigende Wirkung, wobei sich die einzelnen, im Laufe des Lebens erhaltenen Strahleneinwirkungen (Strahlendosen) addieren und sich nach dem heutigen Stand der Medizin nicht beseitigen lassen. Grundsätzliche Maßnahmen für den Strahlenschutz sind:
1. möglichst großer Abstand von der Strahlenquelle
2. geeignete Abschirmung
3. Begrenzung der Aufenthaltszeit
In der Röntgenverordnung sind alle einzuhaltenden Sicherheitsbestimmungen grundlegend festgelegt.

Quellen