Hoe ontstaat röntgenstraling?

Onderwerp: Atoomfysica, Elektromagnetisch spectrum, Ioniserende straling, radioactiviteit, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo)

Het opwekken van röntgenstraling gebeurt in een röntgenbuis. Hier wordt de werking van die buis en de natuurkundige achtergrond besproken.

De röntgenbuis

In de figuur hieronder zie je de röntgenbuis.
In een vacuümbuis zit de kathode (= de negatieve plaat) waar elektronen worden vrijgemaakt. Tussen de kathode en de anode (= de positieve plaat) worden de elektronen versneld, zodat ze een enorme kinetische energie krijgen.

De spanning tussen anode en kathode is ca 100 kV. De elektronen hebben bij de anode dus een kinetische energie van 100 keV en ongeveer de helft van de lichtsnelheid.
De anode bestaat uit een rondraaiende schijf van bijvoorbeeld wolfram. Als de elektronen in de anode doordringen, zullen de meeste botsen tegen elektronen van de wolframatomen. Door dit soort botsingen krijgen de elektronen in de anode en ook de wolframatomen steeds meer kinetische energie en stijgt de temperatuur. Om te voorkomen dat de anode gaat smelten, wordt die rondgedraaid (dan wordt niet steeds hetzelfde stuk van de anode door elektronen getroffen) en gekoeld. Het oliebad om de röntgenbuis is ook voor de koeling bedoeld.
Slechts een klein gedeelte van de binnendringende elektronen komt vlak in de buurt van één van de atoomkernen van de anode. Die elektronen veroorzaken de röntgenstraling.
De röntgenstraling kan door een venster naar buiten komen. In dat venster zit meestal een filter om de zachte röntgenstraling eruit te filteren. De röntgenbuis is omgeven door een loden kast om te verhinderen dat de straling in alle richtingen het röntgenapparaat verlaat.
Een röntgenbuis is niet goedkoop: hij kost tussen de 10.000 en 20.000 euro en gaat bij intensief gebruik 6 tot 8 maanden mee.

Remstraling

Het ontstaan van de röntgenstraling kan op twee manieren plaatsvinden. In beide gevallen moet een elektron diep in een wolframatoom van de anode doorgedrongen zijn.

Eén van de mogelijkheden is dat het elektron zo dicht bij de wolframkern komt dat het door de elektrische kracht tussen de positieve kern en het negatieve elektron afgebogen wordt. Daardoor verandert in uiterst korte tijd de richting van de snelheid. Er is dan sprake van een zeer grote (middelpuntzoekende) versnelling. Als geladen deeltjes een versnelling krijgen, zenden ze elektromagnetische straling uit. Hoe groter de versnelling, des te hoger de frequentie van die straling.
Dus een elektron dat door de positieve lading van de kern afgebogen wordt, zendt een foton uit met een zo grote frequentie dat het in het röntgengebied valt. Door het uitzenden van het foton verliest het elektron een flink deel van zijn kinetische energie en wordt het als het ware afgeremd. De straling die ontstaat door deze afbuiging van elektronen wordt remstraling genoemd. (In het Engels gebruikt men de Duitse term: “Bremsstrahlung” .)
Afhankelijk van hoe dicht de wolframkern bij het elektron komt, kan de afbuiging sterker of zwakker zijn. En daarmee is de frequentie van de röntgenstraling hoger of lager. Uit de röntgenbuis komt een grote variatie aan frequenties. De straling met vrij lage frequenties moet er uitgefilterd worden, omdat ze voor röntgenfotografie niet erg bruikbaar zijn. Deze straling heeft namelijk geen goed doordringend vermogen en bovendien is ze schadelijk voor de patiënt .

Röntgenlijnen

 

Hierboven zie je een grafiek waarbij men een anode van zilver heeft beschoten met elektronen die een energie hebben van 30 keV. Horizontaal is de energie van de fotonen uitgezet en verticaal het aantal dat door een detector is geregistreerd. Je ziet dat een hele band van energieën tussen de 2 en de 30 keV wordt waargenomen. Maar je ziet ook twee pieken bij ongeveer 22 en 25 keV. Die ontstaan door het andere mechanisme voor het ontstaan van röntgenstraling.

In onderstaande figuur zie je hoe dat werkt.

 

Een elektron dringt het atoom van de anode binnen en stoot één van de twee elektronen uit de K-schil weg. In de K-schil is dan een open plaats voor een elektron ontstaan. Een elektron uit de L-schil of één van de hogere schillen zal dan naar de K-schil springen. Het energieverschil wordt in de vorm van een foton uitgezonden. Omdat bij grote atomen de energieverschillen tussen de K en L-schil zeer groot zijn, hebben de fotonen energie die in het röntgengebied valt.
De piek AgKα geeft aan dat elektronen van de L-schil naar de Kschil zijn gesprongen en een foton van ca 22 keV heeft uitgezonden. De piek AgKβ duidt op elektronen die van de M-schil naar de K-schil zijn gesprongen. Het energieverschil tussen de M-schil en de L-schil is dus ca 3 keV. (Je ziet bij 3 keV ook een piekje, dat zijn de fotonen die ontstaan bij een sprong van de M-schil naar de L-schil.)
Omdat elk atoom zijn eigen energieniveau’s heeft, heeft ook elk atoom zijn eigen combinatie van röntgenlijnen. Bij wolfram of molybdeen zullen de pieken bij andere energieën te zien zijn dan bij zilver.


Artikel De Röntgenfoto.