Röntgenbuis

Een röntgenbuis is een elektronenbuis die wordt gebruikt om röntgenstraling te genereren door elektronen op een doelmateriaal te laten vallen. Het doelmateriaal wordt hierdoor sterk verhit en moet worden gekoeld om te voorkomen dat het smelt.

In een röntgenbuis wordt, in een goed vacuüm (10^-5 Pascal) een gloeidraadje, de kathode, door een gloeistroom heet gemaakt. Bij ~2700 K komt er om het wolfraam draadje een wolk elektronen te hangen die bij deze temperatuur uit het materiaal kunnen ontsnappen. Deze elektronen worden door een sterk elektrisch veld (30-150kV afhankelijk van de toepassing over een paar millimeter) naar een anode versneld. Deze anode is gemaakt van een metaal. In het anodemateriaal worden de elektronen nu sterk afgeremd, en daarbij wordt röntgenstraling geproduceerd die een energie heeft tussen 0 en de totale spanning van het elektrisch veld. Deze straling wordt remstraling genoemd. Bovendien zullen veel van de elektronen afremmen door te botsen met elektronen in het anodemateriaal, en atomen ioniseren door elektronen uit de binnenste schillen los te maken. Bij het terugvallen van elektronen naar die binnenste schillen komt zogenaamde karakteristieke straling vrij die afhankelijk is van het metaal waarvan de anode is gemaakt. Voor een koperanode is deze straling ca. 8keV, voor Molybdeen ca. 18keV. De totale belasting van een röntgenbuis is enkele kilowatts, het oppervlak waar de elektronen op de anode vallen is tussen 0.5 en 10 mm² groot.

De röntgenstraling komt in alle richtingen uit de röntgenbuis; slechts een klein deel kan worden gebruikt (ongeveer 0,8%): bij het maken van een röntgenfoto kan alleen dat deel dat naar de patiënt wijst worden gebruikt (ongeveer 10% van die 0,8%), en in de röntgendiffractie zelfs een nog veel kleiner deel omdat slechts een heel dunne straal wordt gebruikt. Het is recent (sinds ca. 1998) mogelijk om röntgenstraling te focusseren met behulp van speciale spiegels (zie röntgenoptiek), maar zelfs met hulp van deze spiegels wordt in de diffractie meestal slechts 1 miljoenste deel van de geproduceerde straling werkelijk gebruikt: enkele milliwatts doelmatige straling uit een apparaat dat enkele kilowatts aan energie gebruikt. Om de straling uit de buis te laten bevat deze 1, 2 of 4 vensters die van beryllium zijn gemaakt: beryllium is een sterk metaal dat slechts heel weinig röntgenstraling absorbeert (zie röntgenabsorptie).

Er zijn twee belangrijke typen röntgenbuizen die verschillen in de koeling van het doelmateriaal:

• gesloten buis (sealed tube): Een glazen of keramische buis waarin alle onderdelen zijn ingesloten, en die in de fabriek is vacuüm gezogen en afgesloten. In dit vacuüm is er ook 'getter' materiaal aangebracht, dit is een stof die een binding gaat vormen met de overige zuurstofgas moleculen. Hierdoor wordt het aantal moleculen in de buis beperkt zodat de elektronen minder weerstand ondervinden op hun weg van de focusseringscup naar het focus op de anode. Afhankelijk van het type kosten deze buizen (2003) enkele duizenden euro per stuk. De anode in een gesloten buis bestaat uit een dunne metaalfolie. De koeling van deze folie gebeurt door er aan de achterzijde een krachtige koude waterstroom tegenaan te spuiten.
• draaianode buis (rotating anode tube): Hierin heeft de anode de vorm van een wiel dat met grote snelheid wordt rondgedraaid (3000-9000 toeren per minuut). Aan de binnenkant wordt het wiel gekoeld met water. Deze buis kan niet eenvoudig worden afgesloten omdat de as door de buis naar buiten steekt, en moet kunnen draaien. Een compleet systeem voor een draaianode buis heeft dan ook veel meer componenten dan een systeem voor een gesloten buis. Daarom zijn systemen met een draaiende anode vaak voorzien van een stator die zich buiten de vacuümbuis bevindt. Een draaianode kan echter zwaarder worden belast omdat het draaien de anode koelt en omdat zo meerdere plaatsen op de anode beslast worden waardoor de röntgenstraling intenser is.

Een andere techniek om röntgenstraling te maken is in een synchrotron.