Straling en röntgentoestel
Wat is een röntgenbuis?
• Een röntgenbuis is het hart van een röntgenapparaat en produceert de röntgenstraling
• Het is een vacuümbuis met twee belangrijke onderdelen:
1. Kathode: negatief geladen elektrodedraad die elektronen genereert
2. Anode: positief geladen metalen schijf waar de elektronen op botsen om straling te
creëren
Hoe werkt een röntgenbuis?
1. Elektronenproductie bij de kathode
• Bij de kathode worden elektronen vrijgemaakt door verhitting van een draadje
(thermische emissie).
• Deze elektronen worden versneld door een hoge spanning (kV) tussen de kathode
en de anode.
2. Versnelling van elektronen
• De spanning (60-70 kV of hoger) zorgt ervoor dat de elektronen met hoge snelheid
naar de anode bewegen.
• Hoe hoger de spanning, hoe sneller de elektronen en hoe meer energie ze hebben.
3. Interactie bij de anode
• De elektronen botsen op de anode (meestal gemaakt van wolfraam).
• Slechts 1-2% van de energie van deze botsing wordt omgezet in röntgenstraling;
de rest (98-99%) wordt omgezet in warmte.
4. Röntgenstraling ontstaat
• Door de botsing wordt de energie van de elektronen omgezet in straling
(remstraling) en karakteristieke straling.
• Deze straling wordt naar buiten gestuurd om beelden te maken.
Belangrijke onderdelen en eigenschappen:
1. De anode
Meestal gemaakt van wolfraam, een metaal dat:
• Efficiënt energie in straling kan omzetten
, • Een hoge smelttemperatuur heeft (waardoor het de hitte van de botsingen kan
verdragen)
2. Warmteafvoer:
Omdat de meeste energie wordt omgezet in warmte, heeft de anode:
• Koelmechanismen, zoals een draaiende anode (om de hitte te verspreiden)
• Olie in de röntgenbuis om de warmte te absorberen
3. Focuspunt:
• De plek op de anode aar de elektronen botsen heet de focus.
• Hoe kleiner het focuspunt, hoe scherper de röntgenbeelden (maar dit kan de
anode meer belasten).
Karakteristieke straling
• Karakteristieke straling ontstaat wanneer een elektron met voldoende energie een
elektron in een binnenste schil (bv. de K-schil) van een atoom uit zijn baan stoot. Dit proces
leidt tot een “vacuüm” in de binnenste schil, wat het atoom instabiel maakt.
• Het atoom probeert deze instabiliteit te herstellen door een elektron uit een hogere
energieniveauschil (bv. de L- of de M-schil) naar de K-schil te laten “vallen”. Tijdens dit
proces komt de energie vrij die overeenkomt met her verschil tussen de bindingsenergieën
van deze twee schillen. Deze energie wordt uitgezonden in de vorm van een foton met
een specifieke energie; dit wordt een karakteristiek foton genoemd.
• De energie van deze fotonen is uniek voor elk atoomtype, omdat de bindingsenergieën
van de elektronen afhankelijk zijn van het atoomnummer en de structuur van het atoom.
• Daarom is karakteristieke straling zeer geschikt voor materiaalonderzoek. Zoals bij
röntgenspectroscopie.
Remstraling
• Op de afbeelding heeft het invallende elektron (vanaf de kathode) een energie van 100
keV.
• Het elektron botst niet met een baanelektron, maar wordt afgebroken in het magnetisch
veld van het atoom.
• In deze buiging komt er energie vrij → het elektron wordt eigenlijk een beetje afgeremd
(vandaar de naam “remstraling”)
,• Na deze afbuiging is er nog 70 keV over → verschil voor en na remming = 30 keV → dit kan
vrijkomen als foton → een energiepakketje wat we kunnen gebruiken voor beeldvorming.
• Deze energie kan ook vrijkomen als warmte in plaats van een foton → de warmte die
ontstaat is een groot gedeelte van de energie en slechts een klein percentage is
fotonstraling.
Opwekken van röntgenstraling – twee mechanismen
Er zijn twee typen straling waarmee onze röntgenfoto’s gemaakt worden die tegelijkertijd
ontstaan:
1. Remstraling
→ 90% van onze bundel
2. Karakteristieke straling
→ 0-10% van onze bundel
Het geheel van deze twee soorten straling zorgt voor een spectrum dat we gebruiken om onze
foto’s te maken.
Remstralingsspectrum
1. Remstralingsspectrum en energiebereik
• Het spectrum van 0 keV tot een maximale energie (in het geval van de onderstaande
afbeelding is dat 90 keV, afhankelijk van de spanning van de buis). Dit wordt het
remstralingsspectrum genoemd
, 2. Lage-energie fotonen (0-20 keV)
• In het gebied tussen de 0-20 keV zijn er nauwelijks fotonen aanwezig in het spectrum.
Dit komt doordat deze lage-energie fotonen worden geabsorbeerd door het glas van
de röntgenbuis. Hierdoor bereiken ze de buitenwereld niet en kunnen ze ook niet
gemeten worden.
• Dit is eigenlijk voordelig: ze dragen weinig bij aan de beeldvorming en kunnen
schadelijk zijn doordat ze gemakkelijker geabsorbeerd worden door de huid.
3. Karakteristieke pieken
• In het spectrum zijn specifieke pieken zichtbaar, bv bij de 60 en 68 keV. Deze ontstaan
door karakteristieke straling, die verband houdt met de bindingseigenschappen van
het gebruikte anodemateriaal (bv. wolfraam). De energie van deze pieken wordt
bepaald door het verschil in bindingsenergieën tussen de schillen van het atoom.
• Hoe dichter een elektron bij de kern zit, hoe groter de bindingsenergie.
4. Gefilterd spectrum
• Het gele gebied in de grafiek laat het gefilterde remstralingsspectrum zien, waarin
zowel de remstraling als de karakteristieke pieken verwerkt zijn.
Effect van buisspanning (kV) op het remstralingsspectrum
Wat doet de buisspanning (kV)?
• De buisspanning bepaalt de energie van de elektronen die in het röntgenapparaat bewegen.
Hoe hoger de kV, hoe meer energie deze elektronen hebben. Dit heeft twee effecten:
1. Energie van de fotonen: De maximale energie van de geproduceerde fotonen neemt toe
(ze kunnen hogere energie bereiken).
2. Aantal fotonen: Er worden meer röntgenfotonen geproduceerd, wat betekent dat de
intensiteit van de straling toeneemt.
Uitleg grafiek:
In de grafiek op de afbeelding hieronder zie je dat:
• De curve wordt breder bij een hoge kV: Dit betekent dat fotonen met hogere energie
geproduceerd worden.
• De piek stijgt: Dit laat zien dat er meer fotonen (energie) geproduceerd wordt bij een hogere
spanning.
Wat is een röntgenbuis?
• Een röntgenbuis is het hart van een röntgenapparaat en produceert de röntgenstraling
• Het is een vacuümbuis met twee belangrijke onderdelen:
1. Kathode: negatief geladen elektrodedraad die elektronen genereert
2. Anode: positief geladen metalen schijf waar de elektronen op botsen om straling te
creëren
Hoe werkt een röntgenbuis?
1. Elektronenproductie bij de kathode
• Bij de kathode worden elektronen vrijgemaakt door verhitting van een draadje
(thermische emissie).
• Deze elektronen worden versneld door een hoge spanning (kV) tussen de kathode
en de anode.
2. Versnelling van elektronen
• De spanning (60-70 kV of hoger) zorgt ervoor dat de elektronen met hoge snelheid
naar de anode bewegen.
• Hoe hoger de spanning, hoe sneller de elektronen en hoe meer energie ze hebben.
3. Interactie bij de anode
• De elektronen botsen op de anode (meestal gemaakt van wolfraam).
• Slechts 1-2% van de energie van deze botsing wordt omgezet in röntgenstraling;
de rest (98-99%) wordt omgezet in warmte.
4. Röntgenstraling ontstaat
• Door de botsing wordt de energie van de elektronen omgezet in straling
(remstraling) en karakteristieke straling.
• Deze straling wordt naar buiten gestuurd om beelden te maken.
Belangrijke onderdelen en eigenschappen:
1. De anode
Meestal gemaakt van wolfraam, een metaal dat:
• Efficiënt energie in straling kan omzetten
, • Een hoge smelttemperatuur heeft (waardoor het de hitte van de botsingen kan
verdragen)
2. Warmteafvoer:
Omdat de meeste energie wordt omgezet in warmte, heeft de anode:
• Koelmechanismen, zoals een draaiende anode (om de hitte te verspreiden)
• Olie in de röntgenbuis om de warmte te absorberen
3. Focuspunt:
• De plek op de anode aar de elektronen botsen heet de focus.
• Hoe kleiner het focuspunt, hoe scherper de röntgenbeelden (maar dit kan de
anode meer belasten).
Karakteristieke straling
• Karakteristieke straling ontstaat wanneer een elektron met voldoende energie een
elektron in een binnenste schil (bv. de K-schil) van een atoom uit zijn baan stoot. Dit proces
leidt tot een “vacuüm” in de binnenste schil, wat het atoom instabiel maakt.
• Het atoom probeert deze instabiliteit te herstellen door een elektron uit een hogere
energieniveauschil (bv. de L- of de M-schil) naar de K-schil te laten “vallen”. Tijdens dit
proces komt de energie vrij die overeenkomt met her verschil tussen de bindingsenergieën
van deze twee schillen. Deze energie wordt uitgezonden in de vorm van een foton met
een specifieke energie; dit wordt een karakteristiek foton genoemd.
• De energie van deze fotonen is uniek voor elk atoomtype, omdat de bindingsenergieën
van de elektronen afhankelijk zijn van het atoomnummer en de structuur van het atoom.
• Daarom is karakteristieke straling zeer geschikt voor materiaalonderzoek. Zoals bij
röntgenspectroscopie.
Remstraling
• Op de afbeelding heeft het invallende elektron (vanaf de kathode) een energie van 100
keV.
• Het elektron botst niet met een baanelektron, maar wordt afgebroken in het magnetisch
veld van het atoom.
• In deze buiging komt er energie vrij → het elektron wordt eigenlijk een beetje afgeremd
(vandaar de naam “remstraling”)
,• Na deze afbuiging is er nog 70 keV over → verschil voor en na remming = 30 keV → dit kan
vrijkomen als foton → een energiepakketje wat we kunnen gebruiken voor beeldvorming.
• Deze energie kan ook vrijkomen als warmte in plaats van een foton → de warmte die
ontstaat is een groot gedeelte van de energie en slechts een klein percentage is
fotonstraling.
Opwekken van röntgenstraling – twee mechanismen
Er zijn twee typen straling waarmee onze röntgenfoto’s gemaakt worden die tegelijkertijd
ontstaan:
1. Remstraling
→ 90% van onze bundel
2. Karakteristieke straling
→ 0-10% van onze bundel
Het geheel van deze twee soorten straling zorgt voor een spectrum dat we gebruiken om onze
foto’s te maken.
Remstralingsspectrum
1. Remstralingsspectrum en energiebereik
• Het spectrum van 0 keV tot een maximale energie (in het geval van de onderstaande
afbeelding is dat 90 keV, afhankelijk van de spanning van de buis). Dit wordt het
remstralingsspectrum genoemd
, 2. Lage-energie fotonen (0-20 keV)
• In het gebied tussen de 0-20 keV zijn er nauwelijks fotonen aanwezig in het spectrum.
Dit komt doordat deze lage-energie fotonen worden geabsorbeerd door het glas van
de röntgenbuis. Hierdoor bereiken ze de buitenwereld niet en kunnen ze ook niet
gemeten worden.
• Dit is eigenlijk voordelig: ze dragen weinig bij aan de beeldvorming en kunnen
schadelijk zijn doordat ze gemakkelijker geabsorbeerd worden door de huid.
3. Karakteristieke pieken
• In het spectrum zijn specifieke pieken zichtbaar, bv bij de 60 en 68 keV. Deze ontstaan
door karakteristieke straling, die verband houdt met de bindingseigenschappen van
het gebruikte anodemateriaal (bv. wolfraam). De energie van deze pieken wordt
bepaald door het verschil in bindingsenergieën tussen de schillen van het atoom.
• Hoe dichter een elektron bij de kern zit, hoe groter de bindingsenergie.
4. Gefilterd spectrum
• Het gele gebied in de grafiek laat het gefilterde remstralingsspectrum zien, waarin
zowel de remstraling als de karakteristieke pieken verwerkt zijn.
Effect van buisspanning (kV) op het remstralingsspectrum
Wat doet de buisspanning (kV)?
• De buisspanning bepaalt de energie van de elektronen die in het röntgenapparaat bewegen.
Hoe hoger de kV, hoe meer energie deze elektronen hebben. Dit heeft twee effecten:
1. Energie van de fotonen: De maximale energie van de geproduceerde fotonen neemt toe
(ze kunnen hogere energie bereiken).
2. Aantal fotonen: Er worden meer röntgenfotonen geproduceerd, wat betekent dat de
intensiteit van de straling toeneemt.
Uitleg grafiek:
In de grafiek op de afbeelding hieronder zie je dat:
• De curve wordt breder bij een hoge kV: Dit betekent dat fotonen met hogere energie
geproduceerd worden.
• De piek stijgt: Dit laat zien dat er meer fotonen (energie) geproduceerd wordt bij een hogere
spanning.
