tief · M1

Röntgenstrahlung: Entstehung und Wechselwirkung

In der Röntgenröhre werden Elektronen aus einer geheizten Kathode durch eine Hochspannung zur Anode hin beschleunigt. Beim Auftreffen auf die Anode entstehen zwei Strahlungsanteile: Bremsstrahlung entsteht, wenn Elektronen im starken elektrischen Feld der Anodenatomkerne abgelenkt und abgebremst werden, wobei sie einen Teil ihrer kinetischen Energie als Photon beliebiger Energie bis zur maximalen Elektronenenergie abgeben (kontinuierliches Spektrum mit definierter Grenzwellenlänge). Charakteristische Strahlung entsteht, wenn ein einfallendes Elektron ein Elektron aus einer inneren Schale (z. B. K-Schale) des Anodenmaterials herausschlägt; das entstehende Loch wird durch ein Elektron aus einer äußeren Schale aufgefüllt, wobei die Energiedifferenz als Photon mit für das Anodenmaterial charakteristischer, diskreter Energie emittiert wird (Linienspektrum, überlagert dem Bremsstrahlungskontinuum). Beim Durchgang durch Materie wird die Strahlung nach dem Schwächungsgesetz I(d) = I0·e^(−μd) exponentiell geschwächt, wobei sich der Schwächungskoeffizient μ aus mehreren Wechselwirkungsprozessen zusammensetzt.

Wechselwirkungsmechanismen mit Materie

Beim Photoeffekt wird das gesamte Photon von einem fest gebundenen inneren Hüllenelektron absorbiert, das dabei aus dem Atom herausgelöst wird; die Wahrscheinlichkeit steigt stark mit der Ordnungszahl des Materials (Z³ bis Z⁴) und sinkt mit steigender Photonenenergie, weshalb er im diagnostischen Energiebereich vor allem für den Kontrast zwischen Knochen (hohes Z durch Calcium) und Weichteilgewebe verantwortlich ist. Beim Compton-Effekt wird das Photon an einem locker gebundenen äußeren Elektron inelastisch gestreut, gibt dabei nur einen Teil seiner Energie an das Elektron ab und ändert seine Richtung (die Wellenlänge des gestreuten Photons nimmt zu); er dominiert bei höheren Photonenenergien und ist nahezu unabhängig von der Ordnungszahl, trägt aber zur Streustrahlung und damit zur Bildunschärfe sowie zur Strahlenexposition des Untersuchers bei.

Die Paarbildung (Photon wird in Elektron-Positron-Paar umgewandelt) tritt erst bei sehr hohen Photonenenergien (> 1,02 MeV) auf und ist im diagnostischen Röntgenbereich nicht relevant.

• ❗ Bremsstrahlung: kontinuierliches Spektrum, entsteht durch Abbremsung der Elektronen im Kernfeld der Anode
• Charakteristische Strahlung: diskrete Linien, materialspezifisch, entsteht durch Auffüllen einer inneren Elektronenlücke
• Photoeffekt dominiert bei niedriger Energie und hoher Ordnungszahl (Knochenkontrast); Compton-Effekt dominiert bei höherer Energie, nahezu Z-unabhängig (Streustrahlung)
• Schwächungsgesetz I = I0·e^(−μd): μ ist materialabhängig und energieabhängig
• Halbwertsschichtdicke d½ = ln2/μ: die Materialdicke, die die Intensität halbiert (folgt direkt aus dem Schwächungsgesetz)
• Grenzwellenlänge/Duane-Hunt: die maximale Photonenenergie hängt nur von der Röhrenspannung U ab (E_max = e·U, kürzeste Wellenlänge λ_min = h·c/(e·U))
• ⚠️ Prüfungsfalle: Photoeffekt und Compton-Effekt werden bezüglich ihrer Energieabhängigkeit oft verwechselt – Photoeffekt nimmt mit steigender Energie ab, Compton gewinnt relativ an Bedeutung
• ⚠️ Prüfungsfalle: Charakteristische Strahlung wird oft fälschlich als Ursache des kontinuierlichen Spektrums angesehen – tatsächlich ist die Bremsstrahlung kontinuierlich, die charakteristische Strahlung diskret (Linienspektrum)