Röntgenröhre im Eigenbau

Als Voraussetzung zum Bau benötigt man eine sehr gute Vakuumpumpeinheit. Eine Turbomolekularpumpe in Verbindung mit einer Drehschieberpumpe als Vorpumpe ist zu empfehlen. Eventuell geht es auch nur mit einer sehr guten, mehrstufigen Drehschieberpumpe. Die Pumpe sollte so weit evakuieren können, dass die Leuchterscheinungen, wie wir sie von der Geißlerröhre her kennen, zum Erliegen kommen. Für erste Versuche, zum besseren Verständnis des Verhaltens von Hochvakuumsystemen und zum Abschätzen des erreichten Vakuums empfiehlt sich zuerst immer der Aufbau einer Hochvakuum-Geißlerröhre.

Die Röntgenröhre wurde zur besseren Dichtheit des Systems ohne Schlauch direkt auf der Turbopumpe montiert. Alle Dichtflächen müssen glatt gedreht sein, und die Dichtungen selbst sollten mit Öl oder Vaseline eingefettet werden. Die Dichtheit überprüft man am besten durch Anlegen von Hochspannung, mit unbeheizter Kathode an den Leuchterscheinungen. Im Hochvakuum darf es zu überhaupt keinen Leuchterscheinungen mehr kommen, wie am Ende des Videos bei der Geißlerröhre im Hochvakuum.

Um den Stromfluss im Hochvakuum zu gewährleisten, muss prinzipiell eine Glühkathode verwendet werden. Wie wir aber von den Versuchen mit der Geißlerröhre wissen, ist bei geringem Restdruck das nicht unbedingt nötig. Für eine einfache Glühkathode reicht ein Wolframdraht aus, wie er in jedem Lämpchen vorhanden ist. Der Glaskolben des Lämpchens muss entfernt werden, damit die Elektronen aus dem Draht austreten können. Zwei Messingstifte werden in die Röhre über O-Ringe eingedichtet. Falls das nicht dicht wird, kann man die Elektroden auch verkleben. Daran ist das Lämpchen angeschlossen.
Zu beachten ist, dass man das Lämpchen erst einschaltet, wenn das Vakuum bereits aufgebaut ist. Anderenfalls oxidiert der Draht in wenigen Sekunden und brennt durch.

Plexiglasrohr:	Außendurchmesser: 50mm, Innendurchmesser 40mm, 10cm lang
Dichtungen:	Außendurchmesser: 51mm, Innendurchmesser 39mm, 1mm dicke Gummidichtung
Glühkathode:	6V/300mA Lämpchen, Glas entfernt
Kathodenanschlüsse:	Zwei 8mm dicke Messingstäbe mit M4 Gewindeansatz
Anode:	20mm Kupferstab, im 45° Winkel abgeschrägt.
Anodendeckel:	Durchmesser: 60mm, 10mm dickes Aluminium. 51x39x2mm Nut für Dichtung eingedreht

Funktion:
Die von der Glühkathode austretenden Elektronen werden durch die hohe positive Spannung an der Anode stark beschleunigt und fliegen mit hoher Geschwindigkeit auf sie zu. Wenn sie auf der Anode auftreffen, werden sie in extrem kurzer Zeit abgebremst, und beschleunigte (=verzögerte) Elektronen erzeugen elektromagnetische Strahlen. Deshalb werden die Röntgenstrahlen auch Bremsstrahlung genannt. Weiters werden die Atome in der Anode selbst zum Strahlen angeregt, sodass zusätzlich auch noch ein für jedes Material charakteristische Eigenstrahlung entsteht. Die Röntgenstrahlen bestehen also aus einer Summe von verschiedenen Frequenzen, im Bereich über dem ultravioletten Licht bis zu den Gammastrahlen.

Achtung: Die Röntgenstrahlen gehören zu der ionisierenden Strahlung, ähnlich der Gammastrahlung. Sie führen im menschlichen Körper zu Zellveränderungen, bis hin zu Krebs. Achten sie also unbedingt auf einen ausreichenden Schutz. Röntgenstrahlen können nur durch Blei abgeschirmt werden. Andere Metalle wie z.B. Aluminium werden zum Teil durchdrungen. Entfernen sie sich so weit wie möglich von der Röntgenröhre, wenn sie in Betrieb ist. Überprüfen sie immer mit einem Geigerzähler die aktuelle Strahlenbelastung. Beachten sie auch, dass nicht jeder Geigerzähler Röntgenstrahlen messen kann. Der derzeitige Grenzwert der Jahresdosis für exponierte Personen liegt bei 20mSv. Das sind nach der alten Einheit 2rem und wenn man den für Röntgenstrahlen üblichen Qualitätsfaktor von 1 zugrundelegt, erhält man so eine max. Energiedosis von 2rad pro Jahr. Eine Röntgenröhre kann diese Energiedosis in wenigen Minuten liefern !

Röntgenaufnahmen:
Zur Belichtung von Röntgenaufnahmen wurde die Hochvakuumpumpe mitsamt der Röntgenröhre in die Waagrechte gebracht. Die Anode ist so gedreht, dass die Röntgenstrahlen nach unten ausgeworfen werden. Versorgt wird die Röhre mit 40kV von einem Hochspannungsnetzgerät. Der Anodenstrom wird durch die Heizspannung eingestellt, bei 6,7V Heizung fließen etwa 500µA, was bei 40kV dann schon 20W Verlustleistung ausmacht. Die Anode wird also sehr heiß und muss nach ca. 15min gekühlt werden, damit die Dichtung nicht schmilzt. Einen aufgeschraubten Kühlkörper sollte man vermeiden, da dies an den Kanten nur zu unnötigen Sprühentladungen führen würde.
Die Objekte werden je nach Größe in einem möglichst geringen Abstand zur Röhre gelegt. In dem schwarzen Papierumschlag darunter befindet sich der lichtempfindliche Film. Es wurde hierfür ein Standard Schwarz/Weiß Fotopapier "Illford 3,1M" verwendet und anschließend mit entsprechenden Entwickler und Fixierer entwickelt.

=
Die Aufnahme dieses vergossenen DC/DC-Spannungswandlers wurde 15min lang belichtet, bei 40kV, 200µA in einem Abstand von 12cm zur Anode.
Mit einem Geigerzähler wurde an der Stelle des Objektes eine Energiedosis von ungefähr 2rad/h gemessen.

=
Dieses Halbleiterrelais wurde 12min lang belichtet, bei 42kV, 500µA in einem Abstand von 12cm. An dieser Stelle wurden mit dem Geigerzähler ca. 10rad/h gemessen.

=
Auch das Wackelholz konnte mit einer Röntgenaufnahme enttarnt werden. Es sind deutlich die beiden dichteren und daher schwereren Stellen zu erkennen, welche die Asymmetrie in der Bewegung hervorrufen. Diese Aufnahme wurde 10min bei 42kV, 500µA in einem Anstand von 20cm belichtet. Energiedosis in dieser Entfernung nur noch 5rad/h. Hier zeigt sich, wie stark die Strahlung mit dem Abstand abnimmt, also Entfernung ist der beste Schutz.

=
Auch bei dieser Aufnahme von einem Mikrowellen Lecktester ist zu sehen, dass uns unter der vergossenen Verpackung nur sehr wenig Bauteile für viel Geld verkauft werden. Die Schaltung ist denkbar einfach, ein Transistor steuert über einen Widerstand die Leuchtdiode an. An seiner Basis (mittleres Bein) sind die beiden Mikrowellendioden angeschlossen. Aufgrund der sehr dicken Vergussmasse wurde hierfür 20min bei 42kV, 500µA in 12cm Abstand belichtet.

=
Der Wendekreisel wurde ebenfalls durchleuchtet und es ist zu erkennen, wie der Schwerpunkt durch eine im oberen Teil angebrachte Bohrung nach unten verlagert wird. Dieses Bild wurde 5min bei 42kV, 500µA in 12cm Abstand belichtet.

Weitere Versuche: Welle/Teilchen Dualismus
Wer keinen Geigerzähler besitzt, kann die Strahlen auch mit einem Elektroskop nachweisen. Die Röntgenstrahlen, die ja zu den ionisierenden Strahlen zählen, haben die Eigenschaft, ein geladenes Elektroskop zu entladen. Dabei ist es egal, ob das Elektroskop vorher positiv oder negativ aufgeladen wurde. Für den Versuch sind die 24kV Hochspannung (bei niedrigeren Spannungen treten überhaupt keine Strahlen mehr auf) von einem Zeilentrafo an die Röhre bereits angelegt, da dies sonst beim Einschalten zu einem unerwünschten Ausschlag am Elektroskop führt. Es wird nur die Heizung eingeschaltet, wodurch es erst dann zu einem Stromfluss und zur Strahlenproduktion kommt. Die Plättchen im Elektroskop fallen dann rasch zusammen. Umgekehrt ist es nicht möglich, ein leeres Elektroskop so aufzuladen, was auch mit der Feldmühle gezeigt werden kann, denn sie misst neben der Anodenspannung keine zusätzliche Ladung. Das zeigt den destruktiven Charakter der Strahlen, die nur zur Zerstreuung führen.
Dieser Effekt wird in der Physik durch den berühmten Dualismus von Welle und Teilchen erklärt. Demnach kann eine elektromagnetische Welle auch als Teilchenstrom betrachtet werden, der in der Lage ist, Ladungen zu übertragen. Mir persönlich gefällt diese widersprüchliche Formulierung, eine Welle sei einmal Teichen und einmal eben nur Welle, nicht. Es ist überhaupt seltsam, dass dieser Widerspruch in unserem Weltbild Platz findet, wo es doch so sehr vom logischen Denken geprägt ist. Ich kann mir auch schwer vorstellen, wie Teilchen in der Lage sein sollten, feste Körper, wie das Plexiglas der Röhre und sogar Aluminium zu durchdringen. Auch ist es schwer nachvollziehbar, dass Teilchen zwar Ladungen abführen können, jedoch nicht in der Lage sind, Ladungen auf ein ungeladenes Elektroskop zu übertragen.
Ich hätte eine ganz andere Erklärung für das ionisierende Verhalten von elektromagnetischer Strahlung. Diese Effekte treten ja nur bei sehr hohen Frequenzen, wie eben bei Röntgenstrahlen auf. Es ist z.B. nicht möglich das Elektroskop durch Bestrahlung mit Mikrowellen zu entladen. Bei den extrem hohen Frequenzen kommt die Wellenlänge in die Größenordnung der Atomabmessungen. Solche Strahlen können ja auch nur mehr auf atomarer Ebene erzeugt werden. Die Struktur der Atome kann so wie eine richtig abgestimmte Antenne für die entsprechende Frequenz wirken und die Strahlung so effektiv aufnehmen, dass es wiederum selbst ionisiert wird und Ladungen ausstößt. Es erscheint überhaupt sinnvoller vom Teilchenbegriff völlig abzusehen und alles nur als Welle zu betrachten. Materie ist dann nichts anderes, als eine eingerollte Wellen oder eben ein Wirbel.

Elektrotechnikseite