3 Eigenschaften und Wirkungen der Röntgenstrahlen

Zusammengefasst kann man folgende Eigenschaften und Wirkungen der Röntgenstrahlen unterscheiden:

• Unsichtbarkeit,

• Durchdringungsfähigkeit und Strahlenschwächung,

• photochemischer Effekt,

• Lumineszenz und Wirkung auf Halbleiter zur digitalen Bildgebung,

• biologische Veränderungen durch Ionisationseffekte.

3.1 Unsichtbarkeit

Im Gegensatz zu langwelligen Lichtstrahlen sind die kurzwelligen, energiereichen, zu diagnostischen Zwecken dienenden Röntgenstrahlen, aber auch kosmische, terrestrische und andere künstlich erzeugte Strahlenarten unsichtbar. Es ist die Eigenschaft der Unsichtbarkeit, die besonders bei höheren Dosen die damit verbundenen Gefahren vergessen lässt.

3.2 Durchdringungsfähigkeit und Strahlenschwächung

Die Durchdringungsfähigkeit der Röntgenstrahlen hängt von der Röhrenspannung ab, die je nach Dichte und Dicke des durchstrahlten Gewebes gewählt werden muss. Hohe Spannung (in Kilovolt, kV) erzeugt Strahlen im kurzwelligen durchdringungsfähigen Bereich, niedere Spannung im langwelligen und daher weniger durchdringungsfähigen Bereich. Es ist anzumerken, dass eine zu hoch gewählte Spannung den Bildkontrast vermindert. Die Röhrenspannung entscheidet über die kinetische Energie der von der Kathode emittierten Elektronen ( ▶ Abb. 3.1) und bestimmt die nach unterschiedlichen Bremsvorgängen ( ▶ Abb. 3.2) entstehende heterogene Zusammensetzung des primären Strahlenbündels. Der durch Abbremsung der Kathodenstrahlung im Anodenmaterial (und im Weiteren auch durch Dicke und Dichte des durchstrahlten Gewebes) entstehende Verlust an kinetischer Energie (Durchdringungsfähigkeit) wird als Strahlenschwächung bezeichnet.

Durch Eliminierung der weichen Strahlen des heterogenen Primärstrahls mit Filtern ( ▶ Abb. 3.2) aus Aluminium wird der Strahl homogenisiert und damit aufgehärtet, um die Bildqualität und den Strahlenschutz zu verbessern. Schon ultraviolette Strahlen können dank ihrer kurzen Wellenlänge in die Haut eindringen und damit ein Hauterythem mit „Bräunungseffekt“ hervorrufen oder bei Abusus eine kanzerogene Wirkung zur Folge haben.

Aufgrund ihrer niedrigen Amplitude sind energiereiche Photonen geeignet, auch dicke und dichte Materie zu durchdringen. Die jeweilige Dichte der durchstrahlten Gewebe wird durch die Zahl der Atome pro Volumeneinheit bestimmt. Luft und Weichteile sind daher leichter zu durchdringen als Knochen oder gar Blei. Je höher die Ordnungszahl der betreffenden Materie im periodischen System der Elemente ist, desto energiereicher muss der Röntgenstrahl sein, um sie zu durchdringen. So weist z. B. Wasserstoff die Ordnungszahl 1 und Blei die Ordnungszahl 82 auf.

Je dicker ein beliebiges Material ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen auf ihrem Weg mit Atomen der betroffenen Materie kollidieren und dabei geschwächt oder absorbiert werden.

Die unterschiedliche Dichte oder Dicke der durchstrahlten Gewebe (Beispiel: Darstellung der Zähne und der Zunge auf einem Bild bei Panoramaschichtaufnahmen) erzeugt ein Strahlenrelief mit unterschiedlichen, weil dosisabhängigen Grauwerten. Zunehmende Röhrenspannung bewirkt eine Verminderung und abnehmende Spannung eine Erhöhung des Bildkontrasts.

Durch die kegelförmige Ausbreitung der Röntgenstrahlen im Raum wird die Anzahl der Röntgenphotonen – in Analogie zum sichtbaren Licht – pro Flächeneinheit vermindert. Die Reichweite eines Röntgenphotons kann im Gegensatz zur Korpuskularstrahlung nicht messbar nachgewiesen werden.

Die Durchdringungsfähigkeit der Röntgenstrahlen wird – kurz zusammengefasst – beeinflusst von:

• der durch die Röhrenspannung erzeugten Energie,

• der Dichte des Absorbermaterials, d. h. Anzahl der Atome in der Volumeneinheit,

• der Dicke der durchstrahlten Gewebe,

• dem Fokus-Objekt-Abstand.

3.3 Photochemischer Effekt

Genau wie das sichtbare Licht sind auch Röntgenstrahlen imstande, Silberverbindungen wie z. B. Silberbromid (AgBr) zu reinem Silber zu reduzieren ( ▶ Abb. 3.3) – mit dem Unterschied, dass Röntgenstrahlen dank ihrer Durchdringungsfähigkeit auch lichtdicht verpackte Filme belichten können.

In der Emulsionsschicht des Films ( ▶ Abb. 3.4) liegen die Silberbromidmoleküle in Plättchenform eingebettet und man hat es hier mit einer Ionenverbindung zu tun. Das Silberatom hat auf seiner äußersten Schale nur ein einziges Elektron, das es leicht abgibt. Das Bromatom dagegen besitzt in der äußersten Schale 7 Elektronen und kann zur Stabilisierung ohne Weiteres 1 Elektron aufnehmen. Der energiereiche Röntgenstrahl kann nun dem Bromion ein Elektron entziehen und damit das AgBr-Molekül in seine ursprünglichen atomaren Bestandteile zerlegen, zumal das Silberion sein an das Bromion verlorenes Elektron zurückerhalten kann. Bei dieser durch den Röntgenstrahl verursachten Abspaltung von Brom werden kleinste Mengen von metallischem Silber frei, die erst durch die Filmverarbeitung (Entwicklung) als „Schwärzung“ sichtbar werden. Die durch Röntgenstrahlen bewirkte und vor der Entwicklung unsichtbare chemische Veränderung in der nur etwa 0,2 mm dicken Emulsionsschicht des Films nennt man ein „latentes Bild“.

3.4 Lumineszenz

In der Radiologie bezeichnet man als Lumineszenz einen Vorgang, bei dem bestimmte Materialien durch Röntgenstrahlen zur Lichtemission angeregt werden.

Tritt die Lichtemission nur während der Bestrahlung auf, so spricht man von Fluoreszenz. Typische Beispiele dafür sind Stoffe, die in der Radiologie für Verstärkerfolien benutzt werden, um die Expositionsdosis im Sinne des Strahlenschutzes zu senken. Die bekanntesten der heute benutzten Stoffe sind vor allem die seltenen Erden mit grüner oder violettblauer Lichtemission.

Ein weiteres Beispiel sind die heute zum Bildempfang verwendeten Halbleitersensoren. Ihre Photodioden schlüsseln das während der Exposition durch Röntgenstrahlen erzeugte...