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Röntgenstrahlen

Erzeugung in Röntgenröhren

Inhalt

• Aufbau einer Röntgenröhre

• Erzeugung von Röntgenstrahlung:– Bremsstrahlung– Charakteristische Strahlung

• Berechnung der Wellenlängen

m

380 nmViolett

7,9 1014Hz780 nm

rot3,8 1014Hz

Technische Schwingkreise

Molekül-schwingungen

Valenz Elektronen

Innere Orbitale

Frequenzbereiche der Oszillatoren: Röntgenstrahlung

Kern-reaktionen

Aufbau einer Röntgenröhre

Heizstrom 4 A

B

B

Brems-strahlung

Nach ca. 10-8 s: Charakteristische

Strahlung

Röhrenspannung 45 kVRöhrenstrom 30 mA

Röhrenfenster aus 2,5 mm Al zur Durchleuchtung in Medizin und Technik

oder aus 0,4 mm Beryllium zur Beugung an Kristallen

Emission einer Röntgenröhre

• Bremsstrahlung, abhängig von der Spannung zwischen Kathode und Anode

• Charakteristische Strahlung, abhängig von der Spannung zwischen Kathode und Anode und vom Material der Anode

Beispiel für den Gebrauch der Einheit Elektronenvolt

• 50 keV ist die Energie eines Elektrons, das durch eine Spannung von 50 kV beschleunigt wurde. (Diese Einheit ist „handlicher“ als die Angabe von 8 .10-18J)

50 kV

B

Beim vollständigen Abbremsen des Elektrons an der Anode wird diese Energie in „Bremsstrahlung“ verwandelt

Einheit

1eVEnergie-erhaltung,

mit

1ÅWellenlänge λ in Å, (= 0,1nm), U in Kilovolt

Umrechnung der Beschleunigungs-Spannung in V zu Wellenlänge in nm

fhUe

fc c

hUe

kV

4,12

UUe

ch

Bei Beschleunigungsspannung 124 kV wird Strahlung mit λ = 0,1 Å = 0,01 nm emittiert (liegt im Röntgen Bereich des Spektrums)

Die Bremsstrahlung

• Beim Aufprall auf die Anode wird das Elektron abgebremst: – Die zeitliche Änderung des Elektronenstroms

induziert ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld

– Dadurch wird ein elektrisches Wirbelfeld induziert

• Die sich zeitlich ändernden Felder werden mit Lichtgeschwindigkeit abgestrahlt

Ein schwingendes magnetisches Felds erzeugt ein schwingendes elektrisches Feld

Charakteristische Strahlung

• Atomare Anregung durch Ionisation auf einer inneren Schale

Quelle für Zahlenwerte:

• http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayTrans/Html/search.html

Fenster bei Ruf der NIST Datenbank für Wolfram, z. B.

Fenster nach „Get Transition“

Strahlungsemission bei Ionisation größerer Atome durch Stoß in der innersten Schale

31

32

43

B

B

B

Die Zahlen stehen für die am Übergang beteiligten Nummern der Schalen (n, m)

21

B

Bei Übergängen auf inneren

Schalen liegen die Frequenzen

im Röntgen-Bereich

λ ~ 1/Z2

Spektrum einer Röntgenröhre mit Wolfram Anode

=10-10 m

Bremsspektrum und charakteristische Strahlung einer W-Anode bei 160 kV Betriebsspannung (z. B. für Grobstrukturuntersuchung). Quelle: Pohl, Optik und Atomphysik

m1007,0 10

160

kVUe

ch

m

2,5GHz Mikro-

wellenherd

50 Hz(Netz)

380 nmViolett

7,9 1014Hz

780 nmrot

3,8 1014Hz

Emissionslinien einer Röhre mit Cu-Anode

K

W Anode (Z=74)

0,02 nmCu Kα

Zusammenfassung

• Aufbau einer Röntgenröhre: Zwischen einer Glühkathode und der Anode liegt Hochspannung (40-100 kV)

Zwei voneinander unabhängige Prozesse verursachen Röntgenstrahlung:

• Auf der Anode abgebremste Elektronen senden Bremsstrahlung aus– Bei Beschleunigung mit Spannung U in [kV] folgt die

Wellenlänge λ in [ Å ]

λ = 12,4 / U [ Ǻ] (1 Å = 0,1 nm)• Die angeregten Atome der Anode emittieren zusätzlich

charakteristische Strahlung

finis

Heizstrom 4 A

B

B

Röhrenspannung 45 kVRöhrenstrom 30 mA

Emission der Bremsstrahlung bei Ankunft des Elektrons, verzögert folgt die Emission der charakteristischen Strahlung