Ionen-Röntgenröhren / Betrieb
Ion X-ray Tubes / working

 

©  Tube Museum / Collection
Udo Radtke,  Germany
  2016-06-25

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Die ersten Röntgenröhren ab 1896 waren Kaltkathoden-Röhren, also ohne Heizfaden. Sie bestanden aus einem Glasrohr mit einer Tellerkathode und einer Stiftanode, die seitlich in das Rohr hineinragte. Die Evakuierung betrug etwa 1 Torr, also nur ein schwaches Vakuum.

Nahezu alle weiteren Röntgenröhren bestanden aus einer Glaskugel mit zylindrischen Anbauten. Die Elektroden befinden sich überwiegend im Kugelbereich.

 Die Anschlüsse zu den Elektroden wurden aus Platindraht hergestellt. Platin besitzt den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie Glas. So bleiben die Durchführungen auch bei Temperaturänderungen weiterhin dicht.

Die metallischen Tragstäbe zu den Elektroden sind mit Glas ummantelt. Dadurch gibt es keine Beeinflussung der Interaktivitäten zwischen den Elektroden. Spannungsüberschläge werden verhindert.

Beim Anlegen einer Spannung beginnt zunächst bei entsprechender Höhe eine eine Ionisierung des Restgases, eine Leuchterscheinung zwischen beiden Elektroden. Wird die Spannung weiter erhöht, schlagen die Ionen aus der Kathode Elektronen heraus, die rechtwinklig aus der  Oberfläche der Kathode austreten und einen Elektronenstrahl bilden.

Dazu muss die Anode keineswegs am Ende des Elektronenstrahles positioniert sein.

Da, wo der Elektronenstrahl auf ein Hindernis stößt, und sei es nur die Glaswand, entstehen durch das schlagartige Abbremsen Röntgenstrahlen. Es ist davon auszugehen, dass bereits vor Röntgens Entdeckung, auch andere "Experimentierer" Röntgenstrahlen erzeugten, jedoch ohne dies zu bemerken.

Die Antikathode

In der Folge wurde eine, in einem  45 Grad-Winkel zum Kathodenstrahl stehenden Fläche als Anode eingebracht. Sie wurde nicht mehr Anode, sondern "Antikathode" genannt . Die entstehende Röntgenstrahlung tritt nunmehr rechtwinklig zur Achse der Röhre aus. 

Bei einigen Konstruktionen wurde zu dieser Antikathode (Anode) noch eine weitere Hilfsanode mit eingebaut. Sie ist eigentlich für die Funktion der Röhre überflüssig. Zum Evakuieren wird die Röhre von außen erwärmt, um die an der Oberfläche des Glaskolbens anhaftenden Moleküle und in der Antikathode noch befindlichen Restgase besser auszutreiben. Während des Abpumpens wird die Röhre zusätzlich unter Spannung gesetzt und dazu wird dann, um Zerstäubungen der Antikathode zu vermeiden, nur die Hilfsanode angeschlossen.

Die Ausbeute an Röntgenstrahlung ist vom Material der Antikathode abhängig. Sie ist um so größer je höher die Ordnungszahl als chemisches Element. In den Anfängen wurde häufig Platin verwendet.

Durch den Aufschlag des Elektronenstrahls auf die Fläche der Antikathode entsteht Wärme, die nur durch Strahlung abgegeben wird. Später wurden massive Antikathoden aus Stahl und Kupfer  zur Aufnahme der Wärme verwendet. Das Target aus Patin oder Wolfram wurde dann in das massive Material der Antikathode eingelassen. Auch wassergekühlte Antikathoden kamen zum Einsatz.

Eine wichtige Rolle spielt die Oberfläche der Antikathode, auch "Target" genannt. Sie muss möglichst glatt sein, damit der Röntgenstrahl möglichst zielgerichtet austritt. Der Elektronenstrahl soll die Oberfläche des Targets auf einer möglichst kleinen Fläche treffen, um eine besseres Röntgenbild zu erzeugen. Andererseits wird die Oberfläche an dieser Stelle wesentlich stärker erwärmt und bei Überlastung schnell zerstört. Eine rauhe Oberfläche liefert nur noch eine diffuse, für Röntgenaufnahmen ungeeignete,  Röntgenstrahlung. Die Röhre ist dann unbrauchbar.

Die Fokussierung des Elektronenstrahles wurde bereits sehr früh durch eine hohlspiegelförmige Ausbildung der Kathode erreicht.

Neben dem Hauptstrahl liefert jeder Röntgenröhre auch eine nicht unerhebliche Menge Streustrahlung. Sie kommt unter anderem auch durch Reflexion an der Glaswand der Röhre zustande. Man kann sie verringern indem man die Röntgenstrahlung zunächst durch einen Filter, meist eine Platte aus Aluminium, schickt. Man nennt dies "Eigenfilterung".

Dennoch entsteht weitere Streustrahlung beim Auftreffen des Hauptstrahles auf das zu untersuchende Objekt. Diese wird auch an Gegenständen und Raumwänden reflektiert und ist in Bezug auf ihre schädliche Wirkung nicht zu unterschätzen.

Betriesspannung

Zum Betrieb der Ionen-Röntgen-Röhre stand keine Gleichspannung zur Verfügung. Es wurde die Ausgangsspannung von Funkeninduktoren verwendet. Solche Induktoren sind im Prinzip Transformatoren mir einer Primärwicklung aus wenigen Drahtwindungen und einer Sekundärwicklung mit extrem hoher Windungszahl zur Erzeugung der Hochspannung.

Die Stromversorgung bestand zu dieser Zeit nur aus Gleichstrom von Batterien. Da sich Gleichstrom nicht transformieren lässt, hat man ihn zunächst in Impulse "zerhackt" und diese auf die Primärspule geleitet.

Zum "zerhacken" verwendete man in der einfachsten Form einen "Wagnerschen Hammer", dessen Öffnen und Schließen vom Induktor gesteuert wurde. Dies führte auf der Sekundärseite zu einer Art Wechselspannung mit unterschiedlichen Größen und Formen der Amplituden. Die Röntgenröhre benötigte zu ihrer Funktion nur den positiven Teil der Kurve, erhielt aber zwangsweise auch den negativen (schädlichen) Anteil. Dieser bewirk wegen der umgekehrten Richtung an der Kathode der Röntgenröhre eine Zerstäubung mit der Folge, dass sich das Vakuum in der Röhre im Laufe des Gebrauch verändert, die Röhre somit "härter" wird und nur noch mit höherer Spannung funktioniert.

Die Höhe der Betriebsspannung bestimmt auch den Abstand zwischen Kathode und Antikathode und somit auch den Durchmesser der Glaskugel.

Mit welchen Methoden die Röhren dann regeneriert bzw. der Gasdruck korrigiert wurde wird noch an anderer Stelle beschrieben.

Phosphoreszenz / Fluoreszenz

 Beim korrekten Betrieb der Ionen-Röntgen-Röhre entsteht sowohl durch Röntgenstrahlen als auch Kathodenstrahlen, die zum Teil auch an der Antikathode reflektiert werden, Phosphoreszenz. Dies entsteht auch zum Teil durch Auftreffen auf das Glas. Eine gute Phosphoreszenz vor der Antikathode und eine nur geringe dahinter ist stets ein Zeichen für eine gut funktionierende Röhre. Die Färbung gibt auch Aufschluss über die Art des Glases.

Hinzu kommt noch eine mit der Betriebszeit zunehmende violette Färbung des Glases durch Röntgenstrahlung

 

 
 

       
       
     
     

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