Achtung: Versuche mit Röntgenstrahlung sind sehr gefährlich und bedürfen extremer Vorsicht und Vorkehrungen. Ich rate daher von Nachahmungen meiner Versuche dringend ab. Meine Aufbauten verfügen zum Schutz über eine massive Bleiabschirmung! Ich übernehme keinerlei Haftung für daraus resultierende Unfälle oder Schäden.
Deshalb gleich vorweg ein Diagramm, welche die Abschwächung für verschiedene Energien in Abhängigkeit von der Bleidicke zeigt:
Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Conrad_R%C3%B6ntgen#/media/Datei:Roentgen2.jpg
Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923) war ein deutscher Physiker. Er entdeckte im Jahr 1895 im Physikalischen Institut der Universität Würzburg die „X-Strahlen“ (die nach ihm benannten Röntgenstrahlen). Im englischen heißen sie ja nach wie vor xrays. Hierfür erhielt er 1901 den ersten Nobelpreis für Physik.
Was sind Röntgenstrahlen und wie entstehen sie? Röntgenstrahlen sind wie sichtbares Licht eine elektromagnetische Welle. Sie besitzen aber durch ihre geringe Wellenlänge λ bzw. großen Frequenz f gemäß der Beziehung E = h · f eine sehr viel höhere Energie. Dies macht sie natürlich auch ungleich gefährlicher.
Röntgenstrahlen benötigen zu ihrer Entstehung sehr schnelle Elektronen. Diese werden in einer evakuierten Glasröhre (der sog. Röntgenröhre) durch Anlegen einer Hochspannung (z.B. rund 50 kV) beschleunigt. Treffen sie dann auf die Anode, so entsteht durch 2 Prozesse Röntgenstrahlung: Erstens durch Abbremsung der Elektronen und zweitens durch Herausschlagen von Elektronen der innersten Schalen.
Durchläuft ein Elektron die Spannung U, so besitzt es ohne verlangsamende Stöße danach die kinetische Energie E_kin = e·U. Beträgt U etwa 50 kV, so besitzen die Elektronen die kinetische Energie von 50 keV = 50·10^ 3·1.6·10^ -19 J. Werden sie nun im Anodenmaterial (zumeist Kupfer) abgebremst, so wandelt sich direkt kinetische Energie in elektromagnetische Strahlung, also quasi in Lichtenergie E = h·f um.
Maximal können Elektronen also nur ihre gesamte kinetische Energie in Röntgenstrahlung umwandeln. Die dabei entstehenden Photonen können also bei z.B. U = 50 kV und E_kin = 50 keV auch nur maximal eine Energie von 50 keV besitzen (zum Vergleich: Bei sichtbaren Licht liegt die Energie der Photonen im Bereich von 1-3 eV). Bei einer nicht vollständigen Abbremsung hat dann das Photon logischerweise eine Energie < 50 keV. Das zugehörige Energiespektrum der sog. Bremsstrahlung ist also kontinuierlich und reicht von 0 eV bis hin zu U eV.
Jetzt werden aber durch die auf die Anode treffenden Elektronen dort auch Elektronen der inneren Schale herausgeschlagen. Diese freie Stellen werden durch “Elektronensprünge” wieder aufgefüllt. Bei diesen Sprüngen “nach Innen” verlieren die Elektronen aber Energie. Diese überschüssige Energie wird nun in Form von Röntgenlicht frei. Damit die Energie der emittierten Photonen so groß ist, müssen demnach auch die energetischen Sprünge sehr groß sein. Während sichtbares Licht durch kleine Energiesprünge der Valenzelektronen (also der äußeren Elektronen) entsteht, bewirken die großen Sprünge der inneren Elektronen höherenergetisches Röntgenlicht.
Die einzelnen erlaubten Energieniveaus hängen aber vom Atom direkt ab. So besitzt z.B. Kupfer ein anderes sog. Termschema (= erlaubten Energieniveaus) als etwa Gold. Dadurch unterscheidet sich auch die von Kupfer emittierte Röntgenstrahlung von jener anderer Materialien. Man nennt diese vom jeweiligen Anodenmaterial abhängige Röntgenstrahlung daher auch charakteristische Strahlung. Diese überlagert sich mit der Bremsstrahlung und ergibt das vollständige Frequenzspektrum einer Röntgenröhre:
Diese charakterischen “Linien” im Energiespektrum werden auch mit Kα oder Kβ usw. bezeichnet. Die innerste Schale (n = 1) wird als K-Schale bezeichnet. Dann kommt die L-, M- usw. Schale. Springt nun ein Elektron von n = 2 nach n = 1, so wird die dabei frei werdende Strahlung als Kα bezeichnet. Findet der Sprung aber von n = 3 nach n = 1 statt, so heißt diese Linie Kβ. Dieser Kβ-Linie entspricht also ein größerer Energiesprung als jener bei der Kα-Linie. Daher ist die Frequenz der Kβ-Linie auch größer bzw. ihre Wellenlänge auch geringer als bei der Kα-Linie!
Röntgenröhren sind relativ teuer. Man kann aber auch andere, weitaus günstigere Elektronenröhren als Röntgenröhren quasi missbrauchen. Gut eignet sich etwa die russische Röhre 2x2A, welche um nur einige Euro auf ebay zu kaufen ist.
Um diese aber effektiv als Röntgenröhre betreiben zu können, muss die Polarität gedreht werden, sprich ihre Anode wird mit dem Minuspol der Hochspannung verbunden und ihre Kathode mit dem Pluspol!
Zur Erzeugung der Hochspannung dient die bekannte Mazzilli-ZVS-Schaltung in Kombination mit einem AC-Zeilentrafo. Betrieben wird sie mit einem gleichgerichteten, leistungsstarken 12V/250W Trafo.
Wichtiger Hinweis: Die Mazzilli-Schaltung schwingt nur dann zuverlässig an, wenn die Betriebsspannung abrupt anliegt und nicht etwa langsam erhöht wird. Daher befindet sich bei mir zwischen Gleichrichter und Pluseingang der Mazzillischaltung ein für hohe Ströme ausgelegter Schalter. Dieser sorgt dafür, dass die Betriebsspannung sprunghaft anliegt.
Die Hochspannung des Zeilentrafos (ca. 8 kV) speist nun eine Kaskade. An deren Ausgang liegt nun eine Gleichspannung mit ca. 50 kV an.
Hier der vollständige Schaltplan meines Hochspannungsnetzteils:
Für die Sichtbarmachung der Röntgenstrahlung benötigt man eine sog. Röntgenkassette. Diese beinhaltet eine Folie, welche Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandelt. Auf diese Weise wird ein in die Kassette eingelegter Röntgenfilm belichtet. In unserem Fall nehmen wir aber diese Folie heraus und kleben sie auf eine Plexiglasplatte. Das zu untersuchende Objekt kommt nun zwischen Röntgenröhre und Folie. Hinter der Folie befindet sich eine Digitalkamera, welche im abgedunkelten Raum die Folie ca. 5 Sekunden lang bei eingeschalteter Röntgenröhre abphotographiert. Während der Aufnahme befinde ich mich nicht im Raum, daher auch die Fernbedienung mit Notaus-Knopf!
Nun zum Gehäuse der Röntgenröhre. Diese befindet sich in einem Holzgehäuse, welches mehrlagig (!) mittels Walzblei abgeschirmt ist. Die Dicke der Bleiabschirmung beträgt mindestens 5 mm! Zusätzlich befinden sich außerhalb des Gehäuses zum Schutz noch weitere Bleiplatten. Die freie Abstrahlrichtung der Röntgenröhre zeigt bei meinem Aufbau auf eine Außenmauer, sodass kein Nachbar oder andere Personen der Strahlung ausgesetzt ist/sind.
Ergebnisse:
