Grundprinzip der Röntgenröhre
Die Röntgenröhre ist das zentrale Strahlungserzeugungselement in allen röntgenbasierten Prüfsystemen der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Sie wandelt elektrische Energie in Röntgenstrahlung um. Das Grundprinzip beruht auf der Beschleunigung von Elektronen im Vakuum und ihrer anschließenden Abbremsung an einer Metallanode.
Kathodenaufbau
Die Kathode besteht aus einer Glühkathode — üblicherweise einem Wolframdraht oder einer Wolframwendel — die durch elektrischen Strom auf Temperaturen von 2000–2700 °C erhitzt wird. Durch den glühelektrischen Effekt (thermische Emission) werden Elektronen freigesetzt. Eine umgebende Fokussierungselektrode (Wehnelt-Zylinder) formt den Elektronenstrahl durch ein elektrisches Gegenfeld so, dass er auf einen möglichst kleinen Bereich der Anode trifft. Die geometrische Größe dieses Auftreffpunkts bestimmt den Fokusfleck, der gemäß IEC 60336 in nominale Fokusgrößen eingeteilt wird (z. B. 0,3 / 0,6 / 1,0 / 2,0 mm).
Anodentypen
Festanode: Bei tragbaren Röntgengeräten bis ca. 200–320 kV wird eine massive, wassergekühlte oder luftgekühlte Anode aus Wolfram oder einer Wolfram-Rhenium-Legierung eingesetzt. Die Festanode ist mechanisch einfach, jedoch in der thermischen Belastbarkeit begrenzt. Der Einstrahlwinkel (Anodentargetwinkel) von typisch 20–45° definiert den effektiven Fokusfleck.
Drehanode: In stationären Hochleistungsröntgenröhren (ab ca. 150 kV aufwärts) dreht sich die Anode mit 3000–9000 U/min. Dadurch verteilt sich die Wärmeentwicklung auf eine viel größere Fläche, sodass wesentlich höhere Leistungen möglich sind. Drehanoden finden sich in industriellen Computertomographen und Hochleistungsröntgenanlagen bis 450 kV.
Strahlungserzeugung: Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung
Beim Aufprall der Elektronen auf die Anode entstehen zwei Strahlungsarten:
- Bremsstrahlung: Kontinuierliches Spektrum durch die Abbremsung von Elektronen im Coulombfeld der Atomkerne. Die maximale Photonenenergie in keV entspricht numerisch der angelegten Spannung in kV (Emax = eU). Die Bremsstrahlung bildet den Untergrund des Röhrenspektrums.
- Charakteristische Strahlung: Diskrete Linien, die entstehen, wenn Elektronen innere Schalen (K, L) des Anodenmaterials ionisieren und Elektronen aus äußeren Schalen nachrücken. Bei Wolfram liegen die Kα-Linien bei ca. 58–68 keV.
Spannungsbereiche und Wanddickenbereiche (Stahl)
Die Röhrenspannung bestimmt maßgeblich die durchdringbare Wanddicke:
- 50–160 kV: Wanddicken bis ca. 30 mm Stahl (portable Geräteklasse)
- 160–320 kV: Wanddicken bis ca. 70 mm Stahl
- 320–450 kV: Wanddicken bis ca. 120 mm Stahl (stationäre Anlagen)
- 1–9 MeV (Linearbeschleuniger, Betatron): Wanddicken bis >400 mm Stahl
Mikrofokusröhren
Mikrofokusröhren erzeugen einen Fokusfleck von weniger als 100 µm (teilweise <5 µm bei Nanofokussystemen). Dadurch entstehen bei Vergrößerungsradiographie geometrisch scharfe Bilder mit hoher Detailerkennbarkeit. Einsatzbereiche sind die Prüfung von Elektronikbaugruppen, kleinen Schweißnähten und in der industriellen CT.
Kühlung
Da nur ca. 1 % der eingebrachten elektrischen Energie in Röntgenstrahlung umgewandelt wird und der Rest als Wärme anfällt, ist eine effiziente Kühlung entscheidend. Portable Geräte nutzen Ölkühlung mit Konvektion; stationäre Anlagen verwenden Umwälzkühler (Chiller) mit destilliertem Wasser oder Ölkreisläufe mit Wärmetauscher.
Typische Geräteklassen
- Portable 160 kV: Gewicht ca. 8–20 kg, Festanode, für Baustellen- und Feldeinsatz
- Portable 300 kV: Gewicht ca. 25–60 kg, für mittlere Wanddicken
- Stationär 450 kV: Festinstallation in Prüfkabinen, hohe Leistung und Dauerbetrieb
- Linearbeschleuniger (LINAC) 1–9 MeV: Für Dickwandprüfung und Großbauteile