Röntgenröhre Aufbau und Funktion einfach erklärt
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Inhaltsverzeichnis
Was ist eine Röntgenröhre?
Eine Röntgenröhre ist das zentrale Bauteil eines Röntgengeräts und dient der Erzeugung von Röntgenstrahlen. Diese Röhre nutzt das physikalische Prinzip der Elektronenbeschleunigung und deren plötzliche Abbremsung, um Strahlung zu erzeugen, die für die medizinische Bildgebung und viele andere Anwendungen verwendet wird.
Aufbau von Röntgenröhre und Röntgengerät
Wie ist eine Röntgenröhre aufgebaut?
Eine Röntgenröhre besteht aus mehreren Bestandteilen, die zusammenarbeiten, um Röntgenstrahlung zu erzeugen. Der Aufbau der Röhre ist technisch anspruchsvoll, da sie extremen elektrischen und thermischen Belastungen standhalten muss.
- Kathode: Die Kathode ist die negative Elektrode und dient als Quelle für die Elektronen. Sie besteht in der Regel aus einem Wolframfaden, der durch den Glüheffekt Elektronen freisetzt (Glühemission). Der Stromfluss durch den Glühfaden bestimmt die Anzahl der freigesetzten Elektronen. Je höher der Heizstrom, desto mehr Elektronen werden durch die Glühemission freigesetzt. Die Elektronen werden in Richtung der Anode beschleunigt.
- Wehneltzylinder: Um den Elektronenstrahl zu fokussieren und gezielt auf die Anode zu lenken, wird der Wehneltzylinder eingesetzt. Dieser negativ geladene Zylinder umgibt die Kathode und bündelt die Elektronen, bevor sie zur Anode beschleunigt werden, was die Effizienz und Präzision der Strahlenerzeugung verbessert.
- Anode: Die positiv geladene Anode fungiert als Ziel für die beschleunigten Elektronen. Bei ihrem Aufprall auf die Anode wird ein Großteil der kinetischen Energie in Wärme umgewandelt, ein kleiner Teil in Röntgenstrahlen. Moderne Röntgenröhren verwenden rotierende Anoden, bei denen der Anodenteller rotiert, um die Wärme besser zu verteilen. Der Bereich, auf den die Elektronen auf der Anode treffen, wird als Brennfleck bezeichnet.
- Rotor und Stator: Diese Komponenten ermöglichen die Rotation der Anode. Der Rotor ist mit der Anode verbunden und wird durch das magnetische Feld des Stators in Bewegung versetzt. Die Rotation hilft dabei, die entstehende Hitze zu verteilen, was die Lebensdauer der Anode verlängert.
- Glas- oder Metallgehäuse: Der Röntgenröhren-Einsatz ist in einem Glaskolben oder Metallgehäuse untergebracht, das ein Hochvakuum enthält. Dieses Vakuum ist entscheidend, um zu verhindern, dass die Elektronen mit Luftmolekülen kollidieren, was ihre Effizienz verringern würde.
- Röhrenanschluss: Dieser lenkt die von der Anode emittierten Röntgenstrahlen in eine bestimmte Richtung, sodass ein gezielter Röntgenstrahl entsteht. Das Austrittsfenster besteht aus einem speziellen Material, das die Strahlung passieren lässt, ohne sie wesentlich zu schwächen. Es bildet den letzten Abschnitt der Röntgenröhre und sorgt dafür, dass die Strahlen effizient und ohne Streuung in den gewünschten Bereich austreten.
- Röntgenröhrengehäuse: Das Gehäuse schützt die Röntgenröhre und schirmt gleichzeitig schädliche Strahlung ab. Es enthält oft eine Ölschicht, die zur Kühlung und elektrischen Isolierung dient. Eine zusätzliche Bleischicht sorgt für eine weitere Strahlungsabschirmung, wobei ein geringer Anteil an Strahlung als Leckstrahlung bezeichnet wird.
- Kollimator: Dieser besteht aus Bleiblenden und befindet sich am Ausgang der Röntgenröhre. Sie formen und begrenzen das Röntgenfeld und reduzieren so die Strahlenbelastung des Patienten, indem sie nur den gewünschten Bereich bestrahlen.
- Strahlenfilter: Zusätzliche Filter, wie z.B. aus Aluminium oder Kupfer, filtern niederenergetische Photonen heraus, die nicht zur Bildgebung beitragen, um die Strahlenbelastung zu reduzieren und den Bildkontrast zu verbessern.
In einigen Anwendungen, wie der hochauflösenden Bildgebung, ist es notwendig, einen besonders feinen Fokus der Röntgenstrahlen zu erzeugen. Eine Mikrofokus-Röntgenröhre verwendet eine stark konzentrierte Elektronenstrahlung, die auf einen winzigen Punkt auf der Anode fokussiert wird. Dies erzeugt eine schmalere und präzisere Röntgenstrahlung, was insbesondere bei Detailaufnahmen vorteilhaft ist. Diese Technologie wird häufig in der Computertomographie oder in der industriellen Qualitätskontrolle verwendet.
Der Röntgengenerator befindet sich zwar außerhalb der Röntgenröhre, er ist jedoch ein wichtiger Bestandteil des Röntgengeräts. Er liefert die notwendige elektrische Spannung, um die Elektronen zwischen der Kathode und der Anode zu beschleunigen. Moderne Röntgengeneratoren arbeiten oft mit Hochfrequenz-Wechselrichtertechnologien, um eine konstante Spannung zu erzeugen und so die Effizienz der Strahlenproduktion zu maximieren.
Wie ist ein Röntgengerät aufgebaut?
Nachdem im vorherigen Kapitel die Funktionsweise der Röntgenröhre erläutert wurde, wird nun der Aufbau eines vollständigen Röntgensystems näher betrachtet.
Ein Röntgengerät besteht aus mehreren Komponenten, die je nach Art des Einsatzes variieren können. Im klinischen Alltag unterscheidet man zwischen stationären und mobilen Röntgengeräten. Die grundlegenden Elemente, die in allen Röntgengeräten zu finden sind, umfassen die Röntgenröhre, den Generator und verschiedene Bildempfangssysteme.
Heutzutage wird als Bildempfangssystem in der Regel ein Röntgendetektor verwendet, der den früher üblichen Röntgenfilm weitgehend ersetzt hat und digitales Röntgen ermöglicht. Diese modernen Detektoren ermöglichen eine sofortige digitale Bildverarbeitung und bieten eine höhere Effizienz und Bildqualität.
Röntgenanlage mit Buckytisch und Rasterwandgerät
Der Buckytisch ist meist Teil einer Komplettanlage, die neben dem Röntgentisch meist auch noch ein Rasterwandgerät bereitstellt.
Das Rasterwandgerät wird häufig für Aufnahmen im Stehen verwendet, insbesondere für Thoraxaufnahmen. Es besteht aus einer vertikalen Röntgenaufnahmevorrichtung, bei der der Patient direkt vor dem Detektor steht.
Mobile und tragbare Röntgengerät
Mobile Röntgengeräte zeichnen sich durch ihre Flexibilität und Mobilität aus. Sie werden vor allem in Notaufnahmen, Intensivstationen oder in der Chirurgie eingesetzt, wenn der Patient nicht zu einem festen Röntgenplatz transportiert werden kann.
Tragbare Röntgengeräte, die noch kompakter und leichter als mobile Geräte sind, finden besonders in der Veterinärmedizin, Notfallmedizin oder bei Hausbesuchen Anwendung.
C-Bogen
Der C-Bogen ist ein spezielles Röntgengerät, das vor allem in der Chirurgie und bei minimalinvasiven Eingriffen Anwendung findet. Es ermöglicht Echtzeit-Röntgenaufnahmen während operativer Eingriffe.
Der C-förmige Arm trägt sowohl die Röntgenröhre als auch den Detektor. Durch die C-Form können Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln gemacht werden, ohne das Gerät neu positionieren zu müssen.
Ein Detektor am gegenüberliegenden Ende der Röntgenröhre erfasst die Bilder und stellt sie sofort auf einem Monitor dar.
Der C-Bogen kann leicht um den Patienten herum bewegt werden, um dynamische Aufnahmen während eines Eingriffs zu ermöglichen.
Dental-Röntgengeräte
In der Zahnmedizin kommen spezielle Röntgengeräte zum Einsatz, die auf die Anforderungen der dentalen Diagnostik ausgerichtet sind. Die wichtigsten Geräte sind das Orthopantomogramm-Gerät (OPG), das Digitale Volumentomographie-Gerät (DVT) und das intraorale Röntgengerät (Tubus-Gerät).
Das OPG-Gerät besteht aus einer Röntgenröhre und einem gegenüberliegenden Detektor, die sich kreisförmig um den Kopf des Patienten bewegen. Es erstellt eine 2D-Panoramaaufnahme des gesamten Kiefers, einschließlich Zähne, Kiefergelenke und Nasennebenhöhlen.
Das DVT-Gerät hat eine rotierende Röntgenquelle und einen digitalen Detektor, die zahlreiche Einzelaufnahmen aus verschiedenen Winkeln machen. Diese werden zu einem 3D-Bild der Kiefer- und Zahnstrukturen zusammengesetzt, ideal für präzise Diagnosen.
Das intraorale Röntgengerät besteht aus einer kleinen Röntgenquelle und einem Detektor oder Speicherfolie, der im Mund platziert wird. Es erstellt hochauflösende Aufnahmen einzelner Zähne oder kleiner Zahngruppen zur Diagnose von Karies und Zahnwurzelproblemen.
Funktionsweise der Röntgenröhre
Die Funktionsweise einer Röntgenröhre basiert auf einem physikalischen Prinzip, bei dem beschleunigte Elektronen mit einem Ziel/Target aus Metall (Anode) interagieren, um hochenergetische Röntgenstrahlen zu erzeugen. Dieser Prozess beginnt an der Kathode, die aus einer Wolframspirale besteht. Durch das Erhitzen der Spirale auf mehrere tausend Grad Celsius mittels elektrischem Strom werden Elektronen freigesetzt. Diese Elektronen verbleiben zunächst in der Nähe der Kathode, bis eine starke elektrische Spannung zwischen der negativ geladenen Kathode und der positiv geladenen Anode angelegt wird.
Die angelegte Hochspannung bewirkt eine starke Beschleunigung der Elektronen in Richtung der Anode, wobei extrem hohe Geschwindigkeiten erreicht werden. Die Anode, die in der Regel ebenfalls aus einem hochschmelzenden Anodenmaterial wie Wolfram besteht, kann die bei der Wechselwirkung entstehende Wärme und die mechanische Belastung gut aushalten. Trifft ein Elektron auf die Anode, wird es abrupt abgebremst. Dieser Bremsvorgang führt dazu, dass ein Teil der kinetischen Energie der Elektronen in Form von Röntgenstrahlung freigesetzt wird.
Es gibt zwei Arten von Röntgenstrahlung, die in einer Röntgenröhre entstehen:
- Bremsstrahlung tritt auf, wenn Elektronen durch das elektrische Feld der Atomkerne der Anode abgelenkt und abgebremst werden. Die dabei freigesetzte Energie wird als Röntgenstrahlung emittiert, wobei die Energie der Strahlen kontinuierlich variiert, da die Elektronen unterschiedlich stark abgebremst werden.
- Charakteristische Strahlung entsteht, wenn ein Elektron aus der Kathode ein Elektron aus der inneren Schale eines Anodenatoms verdrängt. Ein Elektron aus einer höheren Schale fällt auf die frei gewordene Position zurück und gibt dabei eine genau definierte Menge Energie in Form von Röntgenstrahlung ab. Diese Strahlung ist materialabhängig und trägt zu einem definierten Spektrum bei.
Die Kathode besteht nicht nur aus einem Wolframfaden, sondern enthält auch eine Fokussierungselektrode, die den Elektronenstrahl bündelt und gezielt auf den sogenannten Brennfleck der Anode lenkt. Dieser Brennfleck ist der Bereich auf der Anode, der von den Elektronen getroffen wird, und spielt eine entscheidende Rolle für die Bildschärfe. Durch die Fokussierung des Elektronenstrahls wird ein kleinerer, konzentrierterer Brennfleck erzeugt, was die Bildqualität erheblich verbessert.
Ein weiteres wichtiges Element moderner Röntgenröhren ist die rotierende Anode. Diese dreht sich mit hohen Geschwindigkeiten, oft bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute, um die bei der Wechselwirkung entstehende Wärme gleichmäßig über die Oberfläche der Anode zu verteilen. Dies verhindert Überhitzung und erhöht die Lebensdauer der Röhre. Die entstehende Wärme wird durch spezielle Kühlsysteme, wie etwa eine Ölkühlung oder Lüfter, weiter abgeleitet.
Die Röhrenspannung, gemessen in Kilovolt (kV), bezeichnet die elektrische Spannung, die an der Röntgenröhre angelegt wird. Sie beeinflusst die Qualität des erzeugten Röntgenbildes. Je höher die Spannung, desto höher ist die Energie der Röntgenstrahlen. Die genaue Röhrenspannung hängt von der Art der Untersuchung ab. Beispielsweise empfiehlt die Leitlinie der Bundesärztekammer folgende Spannungen:
- Röntgen-Thorax: 125 (110 – 150) kV
- Röntgen-Fuß: 50 – 60 kV
- 2D Mammographie: 24–38 kV
Die Einheit keV (Kiloelektronenvolt) beschreibt die Energie eines einzelnen Röntgenphotons. 1 keV entspricht der Energie, die ein Elektron durchläuft, wenn es in einem elektrischen Feld von 1 Volt beschleunigt wird. Wenn die Spannung der Röntgenröhre beispielsweise 100 kV beträgt, können die erzeugten Röntgenstrahlen eine maximale Energie von 100 keV haben. Das bedeutet, dass die Elektronen, die durch die 100-kV-Spannung beschleunigt werden, beim Auftreffen auf die Anode Röntgenphotonen mit maximal 100 keV Energie erzeugen.
Neben der primären Röntgenstrahlung entsteht auch unerwünschte Streustrahlung. Diese Streustrahlung, die durch Wechselwirkungen der Röntgenstrahlen mit dem Körpergewebe des Patienten entsteht, kann die Bildqualität beeinträchtigen. Zur Minimierung der Streustrahlung werden Streustrahlenraster eingesetzt, die zwischen Patient und Detektor positioniert werden. Sie filtern die Streustrahlung heraus, lassen jedoch die primären Röntgenstrahlen passieren, was die Bildschärfe verbessert.
Moderne Röntgengeräte bieten zudem verschiedene Betriebsmodi, wie etwa den kontinuierlichen oder gepulsten Modus. Im kontinuierlichen Modus wird ein gleichmäßiger Röntgenstrahl erzeugt, während im gepulsten Modus die Strahlung in Intervallen erfolgt. Letzterer Modus wird oft bei dynamischen Bildgebungsverfahren wie der Fluoroskopie verwendet, da er die Strahlendosis für den Patienten reduziert.
Die Kontrolle der Röntgenröhre und die Erzeugung eines präzisen Strahls ist ebenfalls von großer Bedeutung und wird durch den Kollimatoren ermöglicht. Der Kollimator passt nicht nur die Größe des Röntgenstrahls an, sondern beeinflusst auch indirekt die Wellenlänge, indem niederenergetische Strahlen herausgefiltert werden. Diese Kollimatoren bestehen aus Bleiblenden, die den Strahl exakt auf den gewünschten Bereich lenken und so eine unnötige Bestrahlung des umliegenden Gewebes vermeiden.
Um eine hohe Bildqualität zu gewährleisten, ist eine regelmäßige Wartung und Qualitätskontrolle des Röntgengerätes erforderlich. Dies umfasst die Überprüfung der Röhrenspannung, des Röhrenstroms, der Fokussierung sowie der Kollimatoren und Streustrahlenraster. Durch die korrekte Wartung und Kalibrierung der Röhre wird sichergestellt, dass optimale diagnostische Bilder entstehen und die Lebensdauer des Geräts maximiert wird.
Was kostet eine Röntgenröhre?
Die Kosten für eine Röntgenröhre variieren je nach Typ, Leistung und Hersteller. In der Medizin liegen die Preise für Röntgenröhren ungefähr zwischen 3.000 und 20.000 €.
Faktoren wie die Leistung, der Fokusbereich (z.B. Mikrofokus) und die Lebensdauer der Röhre beeinflussen den Preis erheblich.
Kann man eine Röntgenröhre selber bauen?
Ja, man kann eine Röntgenröhre selber bauen. Auf diese abenteuerliche Idee kam der kalifornische Ingenieur William Osman. Er baute sich ein eigenes Röntgengerät, nachdem er eine Krankenhausrechnung von 70.000 Dollar erhalten hatte. Mit gebrauchten und günstigen Materialien, darunter eine Röntgenröhre von eBay, konnte er Bilder erstellen, die jedoch nicht dem medizinischen Standard entsprechen. Während ein Radiologe die Aktion beeindruckend fand, zeigten Experten Bedenken hinsichtlich der Strahlungssicherheit. Die selbstgebaute Maschine beeindruckte viele, zeigte aber auch, dass sie für medizinische Zwecke nicht geeignet ist.
Wir empfehlen natürlich nicht den Bau einer Röntgenröhre! Falls es Sie dennoch interessiert, wie man aus Reagenzglas eine Röntgenröhre baut, können Sie sich das nachfolgende Video anschauen:
FAQ
Warum muss die Röntgenröhre im Vakuum sein?
In der Röntgenröhre herrscht ein nahezu vollständiges Vakuum, was mehrere wichtige Funktionen erfüllt. Es verhindert, dass beschleunigte Elektronen mit Luftmolekülen kollidieren, wodurch ihre Effizienz gesteigert wird, da sie ohne Ablenkung zur Anode gelangen. Zudem wird die Ionisation der Luft vermieden, was unkontrollierte Entladungen und Sicherheitsrisiken ausschließen würde. Schließlich schützt das Vakuum die Bauteile vor chemischen Reaktionen, die durch Kontakt mit Luftmolekülen entstehen könnten, und verlängert dadurch die Lebensdauer der Röhre.
Wann wurde die Röntgenröhre erfunden?
Die Geschichte der Röntgenstrahlung begann Ende des 19. Jahrhunderts. Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 die nach ihm benannten Röntgenstrahlen, als er in Experimenten mit einer Kathodenstrahlröhre arbeitete. Diese erste Röntgenröhre bestand aus einer Vakuumröhre, in der Elektronen auf eine Metallplatte (Anode) geschossen wurden, wodurch Röntgenstrahlen entstanden. Diese frühe Form der Röhre wurde als Crookes-Röhre oder Schattenkreuzröhre
bezeichnet.
Die erste speziell entwickelte Röntgenröhre wurde 1913 von William D. Coolidge entwickelt. Sie ermöglichte eine stabilere Erzeugung von Röntgenstrahlen durch die Verwendung einer Glühkathode, was die Röntgentechnik revolutionierte und präzisere medizinische Anwendungen ermöglichte.
Kann Röntgenstrahlung abgelenkt werden?
Röntgenstrahlung kann nicht auf die gleiche Weise wie sichtbares Licht oder Elektronen durch Magnet- oder elektrische Felder abgelenkt werden. Dies liegt daran, dass Röntgenstrahlen eine Form elektromagnetischer Strahlung sind, ähnlich wie Licht, jedoch mit wesentlich kürzeren Wellenlängen und höherer Energie. Da sie keine elektrische Ladung besitzen, reagieren sie nicht auf Magnetfelder oder elektrische Felder.
Röntgenstrahlen können jedoch durch Materialien beeinflusst werden, indem sie gestreut, absorbiert oder gebeugt werden. Die Ablenkung von Röntgenstrahlung erfolgt typischerweise durch Röntgenbeugung, insbesondere in Kristallgittern. Diese Methode wird in der Röntgenkristallographie verwendet, um die Struktur von Kristallen zu analysieren. Auch die Streuung an Elektronen in Materie führt zu einer Richtungsänderung der Strahlung, aber diese Phänomene sind physikalisch anders als die Ablenkung geladener Teilchen.
Warum ist Strahlenschutz beim Röntgen wichtig?
Die beim Röntgen entstehende Strahlendosis stellt ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar, weshalb der Strahlenschutz für Patienten und Personal sehr wichtig ist. Ionisierende Strahlung wie Röntgenstrahlung kann Zellen schädigen. Wiederholte oder hohe Strahlenexposition kann das Risiko für Gewebeschäden oder langfristig das Krebsrisiko erhöhen.
Wichtige Strahlenschutzmaßnahmen umfassen optimierte Bildgebungstechniken, individuelle Anpassung der Strahlendosis sowie den Einsatz von Strahlenschutzmitteln wie Bleischürzen. Kinder und besonders empfindliche Organbereiche benötigen dabei besondere Aufmerksamkeit. Für das Personal gelten klare Dosisgrenzwerte, regelmäßige Schulungen und der Einsatz von geschützten Röntgenräumen, um die Strahlenexposition zu minimieren. Die Fachkunde im Strahlenschutz ist für alle Beteiligten verpflichtend.
Das ALARA-Prinzip (As Low As Reasonably Achievable) besagt, dass die Strahlenexposition auf das niedrigstmögliche Niveau reduziert werden soll, solange es technisch, wirtschaftlich und medizinisch vertretbar ist. Ziel ist es, die Strahlenbelastung zu minimieren, ohne den Nutzen der Untersuchung oder Behandlung zu beeinträchtigen.
Wie funktioniert eine Bildröhre und eine Radioröhre im Vergleich zur Röntgenröhre?
Eine Bildröhre (CRT) erzeugt Bilder, indem Elektronen von einer Kathode auf einen fluoreszierenden Bildschirm geschossen werden, wodurch sichtbares Licht entsteht. Die Elektronen werden durch Magnetfelder gelenkt, um ein Bild aufzubauen. Eine Radioröhre hingegen dient zur Verstärkung von Signalen, indem der Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode moduliert wird. Im Vergleich dazu erzeugt die Röntgenröhre Röntgenstrahlen, indem Elektronen mit hoher Energie auf eine Anode treffen. Während Bild- und Radioröhren sichtbare Strahlung bzw. elektrische Signale nutzen, produziert die Röntgenröhre unsichtbare hochenergetische Strahlen für medizinische und technische Zwecke.
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Weitere Quellen:
