Was ist weiches Röntgen – hartes Röntgen – Definition

Unter Röntgenstrahlung , auch Röntgenstrahlung genannt , versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind energiereiche Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von energiearmen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu energiereichen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen.

Weiche und harte Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen werden üblicherweise durch ihre maximale Energie beschrieben, die durch die Spannung zwischen den Elektroden bestimmt wird. Röntgenstrahlen mit hoher Photonenenergie (über 5–10 keV) werden als harte Röntgenstrahlen bezeichnet , Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie (und längerer Wellenlänge) als weiche Röntgenstrahlen . Aufgrund ihres Durchdringungsvermögens werden harte Röntgenstrahlen häufig verwendet, um das Innere von visuell undurchsichtigen Objekten abzubilden. Die am häufigsten gesehenen Anwendungen sind in der medizinischen Radiographie. Da die Wellenlängen harter Röntgenstrahlen der Größe von Atomen ähnlich sind, eignen sie sich auch zur röntgenkristallographischen Bestimmung von Kristallstrukturen. Im Gegensatz dazu absorbieren weiche Röntgenstrahlen leicht Luft. Die Dämpfungslänge von 600 eV Röntgenstrahlen in Wasser beträgt weniger als 1 Mikrometer.

Röntgen – Produktion

Da Röntgenstrahlen energiereiche Photonen sind , die elektromagnetischer Natur sind , können sie immer dann erzeugt werden, wenn geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen) mit ausreichender Energie auf ein Material treffen. Es ähnelt dem photoelektrischen Effekt , bei dem beim Auftreffen auf die Metallplatte Photonen vernichtet werden können, die jeweils ihre kinetische Energie an ein Elektron abgeben .

Röntgenstrahlen können durch eine Röntgenröhre erzeugt werden , eine Vakuumröhre, die eine Hochspannung verwendet, um die von einer heißen Kathode freigesetzten Elektronen auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Kathode muss erhitzt werden, um Elektronen zu emittieren. Elektronen, die durch Potentialdifferenzen von Zehntausenden von Volt beschleunigt werden, zielen auf ein Metalltarget (üblicherweise aus Wolfram oder einem anderen Schwermetall) in einer Vakuumröhre. Je größer die Spannung zwischen den Elektroden ist, desto höher ist die Energie, die die Elektronen erreichen. Beim Auftreffen auf das Ziel werden die beschleunigten Elektronen abrupt gestoppt und röntgenund Wärme werden erzeugt. Der größte Teil der Energie wird in der Anode (die gekühlt werden muss) in Wärme umgewandelt. Nur 1% der kinetischen Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Röntgenstrahlen werden üblicherweise senkrecht zum Weg des Elektronenstrahls erzeugt.

Eine spezielle Röntgenquelle, die in der Forschung immer häufiger eingesetzt wird, ist der Teilchenbeschleuniger, der Strahlung erzeugt, die als Synchrotronstrahlung bekannt ist . Wenn sich ultrarelativistisch geladene Teilchen durch Magnetfelder bewegen, müssen sie sich auf einem gekrümmten Pfad bewegen. Da sich ihre Bewegungsrichtung ständig ändert, beschleunigen sie auch und emittieren Bremsstrahlung, in diesem Fall wird sie als Synchrotronstrahlung bezeichnet .

Röntgenstrahlen können auch durch schnelle Protonen oder andere positive Ionen erzeugt werden. Die protoneninduzierte Röntgenemission oder die partikelinduzierte Röntgenemission wird häufig als Analyseverfahren verwendet.

Röntgenspektrum – charakteristisch und kontinuierlich

Bei Röntgenstrahlen, die von einer Röntgenröhre erzeugt werden, variiert der Teil der Energie, der in Strahlung umgewandelt wird, von Null bis zur maximalen Energie des Elektrons, wenn es auf die Anode trifft. Die maximale Energie des erzeugten Röntgenphotons wird durch die Energie des einfallenden Elektrons begrenzt, die gleich der Spannung an der Röhre mal der Elektronenladung ist, sodass eine 100-kV-Röhre keine Röntgenstrahlen mit einer Energie von mehr als 100 erzeugen kann keV. Wenn die Elektronen auf das Ziel treffen, werden Röntgenstrahlen durch zwei verschiedene atomare Prozesse erzeugt:

• Bremsstrahlung . Die Bremsstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung eines Elektrons erzeugt wird, wenn es durch starke elektromagnetische Felder von Zielkernen mit hohem Z (Protonenzahl) abgelenkt wird . Der Name Bremsstrahlung stammt aus dem Deutschen. Die wörtliche Übersetzung lautet „Bremsstrahlung“ . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen, wenn es beschleunigt oder abgebremst wird, Energie ausstrahlen. Die Bremsstrahlung ist eine der möglichen Wechselwirkungen von lichtgeladenen Teilchen mit Materie (insbesondere mit hohen Atomzahlen)). Diese Röntgenstrahlen haben ein kontinuierliches Spektrum. Die Intensität der Röntgenstrahlen steigt linear mit abnehmender Frequenz von Null bei der Energie der einfallenden Elektronen, der Spannung an der Röntgenröhre. Das Ändern des Materials, aus dem das Target in der Röhre besteht, hat keinen Einfluss auf das Spektrum dieser kontinuierlichen Strahlung. Wenn wir beispielsweise von einem Molybdän-Target zu einem Kupfer-Target wechseln würden, würden sich alle Merkmale des Röntgenspektrums mit Ausnahme der Grenzwellenlänge ändern.
• Charakteristische Röntgenemission. Wenn das Elektron genug Energie hat, kann es ein Orbitalelektron aus der inneren Elektronenhülle eines Metallatoms schlagen. Da der Prozess eine Lücke in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt, aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach unten , um die unteren Atomebenen zu füllen, und normalerweise werden eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen emittiert. Infolgedessen erscheinen scharfe Intensitätsspitzen im Spektrum bei Wellenlängen, die für das Material charakteristisch sind, aus dem das Anodentarget hergestellt ist. Die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlen können aus dem Bohr-Modell vorhergesagt werden.