In diesem Beitrag und im Video erfährst du, wie Röntgenstrahlung entsteht und welche Faktoren das Röntgenspektrum beeinflussen.
Inhaltsübersicht
Was ist Röntgenstrahlung?
Röntgenstrahlung ist eine energiereiche elektromagnetische Strahlung. Sie ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, weil sie eine viel kürzere Wellenlänge (0,01 nm bis 10 nm) besitzt.
Röntgenstrahlung kann viele Materialien durchdringen. Deshalb eignet sie sich in der Medizin zur Erstellung von Röntgenbildern, zum Beispiel zur Darstellung von Knochen, Zähnen oder der Lunge.
Weitere Verwendungen sind zum Beispiel die Computertomographie (CT), die Sicherheitskontrolle von Gepäck und die Materialprüfung in der Technik.
So entsteht Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlung entsteht in einer Röntgenröhre. Dort setzt eine beheizte Glühkathode Elektronen frei. Sie ist umgeben von einer negativ geladenen Fokussierungselektrode, die die Elektronen abstößt und zu einem feinen Strahl bündelt. Die angelegte Spannung (20 kV bis 150 kV) beschleunigt diesen Strahl dann in Richtung der positiv geladenen Anode.
Die beschleunigten Elektronen treffen an der Anode auf den sogenannten Brennfleck. Dabei wird ihre Bewegungsenergie zu 99 % in Wärme und zu etwa 1 % in Röntgenstrahlung umgewandelt.
Am Brennfleck streut die Röntgenstrahlung zunächst in viele Richtungen. Deshalb ist die Röntgenröhre von einem Schutzgehäuse umgeben, das den größten Teil der Strahlung abschirmt. Nur am Austrittsfenster kann die Strahlung die Röhre verlassen.
Der austretende Strahl durchdringt dann das zu röntgende Objekt und wird dabei je nach Material unterschiedlich stark abgeschwächt. Anschließend trifft er auf den Detektor, wodurch das Röntgenbild entsteht.
Die Röntgenröhre ist thermisch stark belastet, da die meiste kinetische Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt wird. Besonders kritisch ist der Brennfleck, da dort viele Elektronen auf eine kleine Fläche treffen.
Eine rotierende Anode verteilt diese Wärme auf eine größere Fläche und schützt so das Material. Zusätzlich nimmt Öl im Gehäuse Wärme auf, bei hoher Belastung helfen weitere Kühlsysteme.
Wichtig: In der Röntgenröhre herrscht ein Hochvakuum. Das heißt, es handelt sich um einen nahezu luftleeren Raum. Dadurch können sich die Elektronen frei bewegen, ohne von Luftteilchen abgebremst zu werden.
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Bremsstrahlung im Röntgenspektrum
Die Anode besteht aus Atomen mit positiv geladenen Atomkernen. Diese Kerne bauen ein starkes elektrisches Feld auf — das sogenannte Coulombfeld.
Wenn die negativ geladenen Elektronen nun mit hoher Geschwindigkeit an diesen positiven Atomkernen vorbeirasen, passiert Folgendes:
- Ablenkung: Der positive Kern zieht das negative Elektron an und lenkt es dadurch aus seiner geraden Bahn ab.
- Abbremsen: Durch diese Richtungsänderung verliert das Elektron abrupt an Geschwindigkeit und wird abgebremst.
- Energieabgabe: Die Energie, die das Elektron beim Abbremsen verliert, wird als Photon (einzelnes Energiepaket) ausgekoppelt. Das ist die Bremsstrahlung. Sie macht den größten Teil der Röntgenstrahlung aus.
Doch nicht jedes Elektron wird gleich abgelenkt. Je nachdem, wie nah es einem Atomkern kommt, verliert es unterschiedlich viel Energie. Dadurch entsteht ein kontinuierliches Spektrum mit vielen verschiedenen Energien.
Spektrum der Bremsstrahlung
Dieses Spektrum hat eine charakteristische Form:
-
Maximum im mittleren Bereich:
Die meisten Photonen entstehen mit mittleren Energien, weil sehr schwache Wechselwirkungen und vollständige Abbremsungen eher selten sind.
-
Abfall zu hohen Energien hin:
Mit steigender Photonenenergie nimmt die Intensität ab, da es immer seltener wird, dass ein Elektron fast seine gesamte kinetische Energie auf einmal abgibt.
-
Endpunktsenergie Emax:
Diese maximale Energie entspricht der höchsten kinetischen Energie der Elektronen und hängt direkt von der angelegten Spannung ab: Ein Elektron kann nicht mehr Energie abgeben, als es zuvor durch die Beschleunigung aufgenommen hat.
Charakteristische Strahlung im Röntgenspektrum
Im Spektrum einer Röntgenröhre tauchen neben der Bremsstrahlung zusätzlich schmale, scharf begrenzte Peaks auf. Das ist die charakteristische Strahlung:
Ein einfallendes Elektron mit genug Energie trifft auf ein Elektron in einer inneren Schale des Anodenatoms und schlägt es dort heraus. So entsteht eine Lücke in dieser Schale, welche ein Elektron aus einer äußeren Schale sofort wieder auffüllt. Dabei gibt es genau die Energiedifferenz zwischen den beiden Schalen als Röntgenphoton ab.
Diese Energie hängt direkt vom Aufbau des Anodenmaterials ab. Jedes Element hat ein einzigartiges Muster an Schalenenergien. Deshalb sind auch die entstehenden Photonenergien materialspezifisch.
Wichtig: Charakteristische Strahlung entsteht nur, wenn die einfallenden Elektronen genug Energie haben, um ein inneres Schalenelektron aus dem Anodenatom herauszuschlagen.
Röntenspektrum: kV, mAs, Filterung
Wie das Spektrum einer Röntgenröhre aussieht, wird von drei Stellgrößen beeinflusst:
- Röhrenspannung (kV)
- Röhrenstrom und Belichtungszeit (mA/mAs)
- Filterung
Einfluss der Röhrenspannung kV
Die Röhrenspannung bestimmt, wie viel Energie die Elektronen beim Auftreffen auf die Anode maximal besitzen. Daraus folgt direkt, wie hochenergetisch die entstehenden Photonen sein können.
- erhöhte kV → Emax steigt proportional an und das Spektrum wird breiter. Die Photonen haben im Durchschnitt mehr Energie und der Röntgenstrahl wird also härter.
- niedrigere kV → Emax sinkt, das Kontinuum bleibt im niedrigen Energiebereich und die mittlere Photonenenergie nimmt ab.
Die Härte bestimmt, wie tief die Strahlung ins Gewebe eindringt. Höhere kV-Werte erzeugen durchdringungsstärkere Photonen, verringern aber den Weichteilkontrast. Deshalb eignen sie sich eher für dicke, dichte Körperregionen als für feine Gewebestrukturen. Für die Diagnostik heißt das:
- Extremitäten oder Zahnaufnahmen: niedrigere kV-Werte reichen meist aus und liefern guten Kontrast.
- Thorax oder Abdomen: höhere kV-Werte sind nötig, um dickere Körperregionen besser zu durchdringen.
Einfluss von Röhrenstrom mA & Belichtungszeit mAs
Der Röhrenstrom in Milliampere (mA) gibt an, wie viele Elektronen pro Sekunde von der Kathode zur Anode fliegen. Je mehr Elektronen auftreffen, desto mehr Photonen entstehen.
Da die Belichtungszeit ebenfalls eine Rolle spielt, fasst man beides im Produkt Milliampere-Sekunden (mAs) zusammen. Ein höheres mAs bedeutet also mehr Photonen im Strahl.
Die Form des Spektrums bleibt dabei aber gleich. Emax, die mittlere Energie und die Lage charakteristischer Peaks verändern sich nicht. Das gesamte Spektrum wird nur proportional nach oben skaliert.
Die Anzahl der Elektronen und die Zeit der Aussetzung haben direkte Auswirkungen auf die Qualität der Röntgenbilder:
- Mehr mAs → mehr Photonen → stärkeres Bildsignal
- Weniger mAs → weniger Photonen → schwächeres Signal
Damit reduziert mAs Bildrauschen. Gleichzeitig erhöht sich jedoch die Strahlenexposition für die untersuchte Person. Die Entscheidung orientiert sich deshalb immer an der Frage, welches Signal-Rausch-Verhältnis für die klinische Fragestellung ausreicht.
Einfluss der Filterung
Manche niederenergetischen Photonen tragen nicht zum Bild bei, weil sie im Körper absorbiert werden, erhöhen aber trotzdem die Oberflächendosis. Deshalb werden sie durch Filterung möglichst entfernt:
- Inhärente Filter sind feste Bestandteile der Röhre selbst – also das Glas des Röhrenkolbens, das Isolieröl und das Austrittsfenster.
- Zusatzfilter werden außerhalb der Röhre in den Strahlengang eingebracht. Typisch ist eine Aluminiumplatte oder Kupfer.
Niederenergetische Photonen werden absorbiert, hochenergetische passieren den Filter leichter. Das Spektrum verliert also seinen unteren Bereich. Die mittlere Energie des verbleibenden Strahls steigt – das nennst du Aufhärtung.
Die Aufhärtung senkt die Oberflächendosis, weil energiearme, kaum bildwirksame Photonen herausgefiltert werden. Gleichzeitig erreichen insgesamt weniger Photonen den Detektor, wodurch das Bildsignal schwächer wird und der mAs-Wert gegebenenfalls erhöht werden muss.
Strahlenphysik verstehen
Röntgenstrahlung gehört zur Strahlenphysik und ist ein wichtiges Beispiel für energiereiche elektromagnetische Strahlung. Wer sich mit Strahlenphysik beschäftigt, vergleicht verschiedene Strahlungsarten, ihre Entstehung und ihre Wirkung in Technik und Medizin. So wird klar, wie Energie, Durchdringung und Abschwächung zusammenhängen. Zu diesem Thema und mehr findest du passende Videos in unserem Ingenieurwissenschaftenbereich.