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Röntgenstrahlen
Erzeugung in Röntgenröhren
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Inhalt
• Aufbau einer Röntgenröhre
• Erzeugung von Röntgenstrahlung:– Bremsstrahlung– Charakteristische Strahlung
• Berechnung der Wellenlängen
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m
380 nmViolett
7,9 1014Hz780 nm
rot3,8 1014Hz
Technische Schwingkreise
Molekül-schwingungen
Valenz Elektronen
Innere Orbitale
Frequenzbereiche der Oszillatoren: Röntgenstrahlung
Kern-reaktionen
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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
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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
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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
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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)
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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
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Ein schwingendes magnetisches Felds erzeugt ein schwingendes elektrisches Feld
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Charakteristische Strahlung
• Atomare Anregung durch Ionisation auf einer inneren Schale
Quelle für Zahlenwerte:
• http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayTrans/Html/search.html
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Fenster bei Ruf der NIST Datenbank für Wolfram, z. B.
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Fenster nach „Get Transition“
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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
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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
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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
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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
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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