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Röntgenstrahlen

Röntgenapparate.

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen benutzt man elektrische Ströme von sehr hoher Spannung, aber geringer Intensität. Die beste und sicherste Elektrizitätsquelle ist vorläufig noch der Gleichstrom, der Anschluß an eine Gleichstromzentrale. Steht nur Wechsel- oder Drehstrom zur Verfügung, so wird er durch einen Umformer in Gleichstrom verwandelt. Auch Akkumulatoren (Fig. 1 B) sind verwendbar. Der von diesen Stromquellen gelieferte Strom hat große Intensität, aber niedrige Spannung, und wird daher mittels eines Rühmkorffschen Induktionsapparates (Induktor, Fig. 1I) in einen solchen von hoher Spannung umgewandelt. Über die Konstruktion des Induktors s. Elektrische Induktion.

Nach Walther wird bei größern Induktoren der Draht der Primärspule in vier übereinanderliegenden, voneinander unabhängigen Lagen gewickelt, deren acht Enden zu einem gemeinsamen Schaltbrett führen. Durch verschiedene Einschaltung kann man den primären Strom entweder alle vier Lagen auf einmal oder je zwei hintereinander oder alle vier hintereinander durchlaufen lassen. Ist letzteres der Fall, so hat der Strom eine lange Bahn von zahlreichen Windungen u. geringem Querschnitt zu durchlaufen; der Widerstand ist relativ groß, die Intensität des primären Stromes also relativ gering, mithin der sekundäre Strom nicht so hoch gespannt. Bei der Parallelschaltung der vier Drahtwindungen herrscht das umgekehrte Verhältnis. Bei diesem Vorgang spielt die Selbstinduktion in der Primärspule eine große Rolle. Mit Hilfe dieser Waltherschaltung zur Veränderung der Selbstinduktion in der Primärrolle kann man unter gleichzeitiger Regulierung des zuführenden primären Stromes und einer besondern Art der Unterbrechung, die wir noch kennen lernen werden, eine beliebige Funkenqualität erzielen, wie sie der jeweilige Härtegrad einer Röhre erfordert. Die Regulierung des primären Stromes geschieht durch den Rheostaten (Regulierwiderstand, Fig. 2), der in den primären Stromkreis eingeschaltet und zweckmäßig auf der Rückseite eines marmornen Wandtableaus, das auch die Strommeßapparate und Einschaltungsvorrichtungen trägt, angebracht ist. Er dient dazu, nur einen gewissen, gewünschten Teil des primären Stromes dem Induktor zuzuführen und die primäre Spannung zu vergrößern oder zu verkleinern. Ein Rheostat besteht aus einer Reihe von Widerstandsspiralen aus Draht, die durch geeignete Leitungen mit Metallamellen verbunden sind, auf denen eine Regulierkurbel schleift. Der Strom tritt durch den letzten Metallknopf ein und geht durch die Kurbel zum Induktor weiter. Ist der ganze Widerstand vorgeschaltet, so ist der Strom natürlich am schwächsten; durch langsames Bewegen der Kurbel an der Vorderseite des Schaltbrettes kann man allmählich den Widerstand ausschalten. Auf dem Wandtableau (Fig. 1) befindet sich auch die Sicherung S für den Induktor.

1. Röntgeneinrichtung mit Akkumulatorenbetrieb.

In derselben geht der Primärstrom durch einen kleinen Bleidraht von solchem Querschnitt, daß er durchschmilzt, wenn durch ein Versehen dem Apparat zu viel Strom zugeführt wird. Erst nach Einsetzen einer neuen Sicherung stellt sich der so unterbrochene Strom wieder her.

Die Induktionswirkung des primären Stromes erstreckt sich aber nicht ausschließlich auf die sekundäre Spirale, sondern auch auf die einander benachbarten Windungen der primären selbst, in diesen den Extrastrom hervorrufend, der die Induktionswirkung in bedeutendem Maße abschwächt. Zur Abhilfe dient der nach dem Prinzip der Franklinschen Tafel (einer andern Form der Leidener Flasche) gebaute Kondensator.

Zum selbsttätigen Öffnen und Schließen des primären Stromes dienen die Unterbrecher. Die einfachsten, billigsten, aber auch unvollkommensten Apparate sind die Platinunterbrecher, die nach dem Prinzip des Wagnerschen Hammers gebaut sind. Der beste dieser Apparate ist noch der von Deprez (Fig. 3). Ein leicht beweglicher länglicher Eisenhebel wird durch Federkraft mit einem an ihm befestigten Platinstück gegen ein zweites, an einer Kontaktschraube befindliches Platinstück gepreßt. Auf der andern Seite trägt der Eisenhebel eine Platte aus Messing, die dem Eisenkern des Induktors gegenüber liegt. Der primäre Strom endigt in der Kontaktschraube, der andre läuft in die primäre Rolle, die den Eisenkern umgibt, bis zum Eisenhebel. Schaltet man den Strom ein, so wird der Eisenkern magnetisch, zieht den Eisenhebel an und hebt damit den Platinkontakt auf. Hiermit ist aber der Strom unterbrochen, der Eisenhebel wird von dem nunmehr unmagnetisch gewordenen Eisenkern losgelassen, und die Platin kontakte federn wieder zusammen, somit erneuter Stromschluß etc. Sicherer und gleichmäßiger arbeiten die Quecksilberunterbrecher.

2. Regulierwiderstand.

Bei ihnen wird der Kontakt durch Quecksilber dargestellt, und die Unterbrechung findet unter einer isolierenden Flüssigkeit (Petroleum, Benzin, Alkohol) statt. Man unterscheidet Quecksilberunterbrecher mit Tauch- und mit Strahlkontakt. Bei dem ältesten Modell mit Tauchkontakt (Fig. 4) kommt die Schließung und Öffnung des primären Stromes dadurch zustande, daß ein Stift C, der unten mit einem Platinansatz endigt, abwechselnd in Quecksilber eintaucht und sich aus diesem heraushebt; die Bewegungen werden durch einen Elektromotor R vermittelt.

3. Platinunterbrecher nach Deprez.

Durch einen Rheostaten ist es möglich, die Zahl der Unterbrechungen in der Zeiteinheit zu modifizieren und durch Höher- und Tieferstellen des Kontaktstiftes die Stromschließungsdauer kürzer oder länger zu gestalten. Gebräuchlicher sind die Motorunterbrecher mit Strahlkontakt, auch Turbinenunterbrecher (Fig. 5) genannt. In die rotierende Trommel einer Zentrifugalpumpe werden zwei oder mehrere symmetrisch gelegene Düsen geschraubt, aus denen das Quecksilber während der Rotation gegen zwei feststehende, mit den Stromleitungsklemmen in Verbindung stehende, ruhende Kupfersegmente spritzt. Der Strom ist geschlossen, wenn die Segmente durch die Quecksilberstrahlen miteinander verbunden sind, dagegen unterbrochen, wenn das Quecksilber nur gegen ein Kontaktsegment spritzt oder die Strahlen in den Raum zwischen den Segmenten geschleudert werden.

4. Motorquecksilberunterbrecher mit Tauchkontakt.

Eines der Segmente ist durch einen am Deckel des Unterbrechers befindlichen Hebel drehbar angeordnet, eine Konstruktion, durch die eine Veränderung der Stromschlußdauer ermöglicht ist; ferner läßt sich je nach der Zahl der Umdrehungen der Turbine die Zahl der Unterbrechungen regulieren. Bei einer andern Konstruktion von Strahlunterbrechern stehen die Düsen fest und die Kontaktsegmente rotieren. Die erwähnten Unterbrecher sind nur bei Gleichstrom verwendbar. Zur direkten Verwendung des Wechselstromes sind aber auch Unterbrecher konstruiert worden, die Wechselstromunterbrecher, die derartig gebaut sind, daß die Stromschlüsse und_-Öffnungen stets an den gleichen Stellen der Perioden des Wechselstromes stattfinden. Hieraus ergibt sich, daß die Unterbrechungszahl nicht veränderlich, sondern stets gleich der Periodenzahl des benutzten Wechsel- oder Drehstromes ist. Das Röntgenlicht ist bei diesen Unterbrechern kein ruhiges; während die Turbinenunterbrecher bei der hohen Zahl der Unterbrechungen (bis zu 2000 in der Sekunde) ein ruhiges, gleichmäßiges Röntgenlicht geben.

Einen gewaltigen Fortschritt in der Röntgentechnik bedeutete die Einführung des elektrolytischen Stromunterbrechers von Wehnelt, dessen Konstruktion auf folgender Erscheinung beruht:

5. Motorunterbrecher mit Strahlkontakt.

Taucht man in ein Gefäß (Fig. 6, entnommen aus Gochs Handbuch) mit verdünnter Schwefelsäure (15–20°B. Konzentration) zwei Elektroden, eine größere Bleiplatte und einen dünnen Platindraht, der von einem Porzellanrohr umgeben ist und nur mit der Spitze in die Flüssigkeit hineinreicht, schickt nun einen Strom hindurch derart, daß die Platinspitze die positive Elektrode bildet, und schaltet ferner in diesen Stromkreis die primäre Rolle eines Induktors, so tritt eine Gasbildung um die Platinspitze ein. Der Gasmantel verhindert die Berührung der leitenden Flüssigkeit mit der Platinspitze und bewirkt also eine Unterbrechung des Stromes; die Gasblase explodiert, die Flüssigkeit kommt wieder in Berührung mit der Platinspitze, der Strom ist geschlossen.

6. Einschaltung des elektrolytischen (Wehnelt) Unterbrechers. i Induktor, ps primärer Stromkreis.

Dieser Vorgang wiederholt sich mit großer Schnelligkeit u. Regelmäßigkeit. Die Unterbrechungen erfolgen um so langsamer, je weiter der Platinstift in die Säure hineinragt, je größer also die Oberfläche der Anode ist. Der Kondensator ist bei Benutzung dieses Unterbrechers überflüssig. Statt eines Platindrahtes werden bei den neuern Konstruktionen meistens drei verwandt von verschiedener Länge und Dicke, da mit zunehmender Stärke des primären Stromes ein dickerer Stift genommen werden muß. Fig. 7 zeigt einen solchen dreiteiligen Wehneltunterbrecher. Wegen der Verdunstung der Schwefelsäure und des lauten störenden Geräusches, mit dem die Unterbrechungen vor sich gehen, stellt man den elektrolytischen Unterbrecher am besten außerhalb des Röntgenzimmers auf und schaltet von letzterm aus den nötigen Platinstift ein. Die Zahl der Unterbrechungen ist eine bedeutend höhere als bei allen andern Unterbrechern, und es zeigt sich deshalb bei richtiger Einstellung nicht das geringste Flackern in der Röntgenröhre.

7. Dreiteiliger Wehneltunterbrecher.

Aber einen Nachteil hatten anfangs die Wehneltunterbrecher: die Röntgenröhren konnten die große Energieleistung nicht aushalten; dieser Nachteil ist jetzt beseitigt, seitdem man imstande ist, durch die Waltherschaltung, durch Veränderung von Stiftlänge, Selbstinduktion und Primärspannung eine Funkenqualität zu erzielen, die jedem Härtegrad einer Röhre auf das genaueste angepaßt ist. Die Wahl des Unterbrechers ist abhängig von der Art der Stromquelle und der Größe und dem Bau des Induktors. Akkumulatoren gestatten nur den Betrieb mit Platin- und Quecksilberunterbrechern; ein elektrolytischer Unterbrecher erfordert, wenigstens bei größern Induktoren, die Waltherschaltung.

Den durch Öffnen und Schließen des primären Stromes in der Sekundärspule erzeugten hochgespannten Strom schickt man durch Kabel, die in den Elektroden A u. K der Sekundärspule eingehängt sind (Fig. 1), in die in einem Stativ befestigte Röntgenröhre. Diese ist eine hochgradig evakuierte (Luftdruck etwa ein Millionstel Quecksilber) Glaskugel (Fig. 8), die drei röhrenförmige Ansätze besitzt. Diese dienen zur Aufnahme der Elektroden, der Anode a, der hohlspiegelförmigen Kathode k und der dem Kathodenblech gegenüberliegenden Antikathode a k. Diese besteht aus einem ebenen Platinblech, das in einem Winkel von 45° zur Kathodenachse steht. Anode und Kathode sind aus Aluminium hergestellt. Alle drei Elektroden sind in Glasstäbchen eingeschmolzen und dadurch nochmals im Röhreninnern isoliert; nach außen enden die Elektrodendrähte in kleinen Messingkappen, die mit Ösen zum Einhängen der stromleitenden Drähte versehen sind. Anode und Antikathode sind durch eine Drahtspirale verbunden; beim Fehlen dieser Verbindung würde die Antikathode durch die Strahlung der Kathode negativ geladen werden, infolge der elektrostatischen Beeinflussung der Brennpunkt der Kathodenstrahlen (s. Röntgenstrahlen) nicht auf das Antikathodenblech fallen, sondern zu wandern beginnen, wodurch die Bilder solcher Röhren unscharf werden. Die Zuschmelzstelle der Röntgenröhren befindet sich an dem Glasfortsatz, der zur Aufnahme der Kathode dient, dem sogen. Kathodenhals, und stellt einen kleinen Auswuchs s dieses Halses dar, der durch eine darübergestülpte Gummihülse geschützt ist. Solche einfache Röhren, wie eben beschrieben, werden nur wenig gebraucht.

8. Einfache Röntgenröhre mit Osmoseregulierung.

Die neuern Konstruktionen haben Vorrichtungen, die eine zu große Erwärmung des Antikathodenspiegels und damit eine erheblichere Veränderung des Gasgehaltes verhüten sollen, ferner gestatten, die Qualität der Röntgenstrahlen zu regulieren. In der Regel wird es sich darum handeln, harte Röhren (s. Röntgenstrahlen) weich zu machen. Um das Glühendwerden der Antikathode zu verhüten, hat man dieselbe zum Ableiten der Wärme hinterlegt mit einem Eisen- oder Kupferblock, oder aber die Antikathode zum Boden eines röhrenförmigen Wasserbassins gemacht und so erreicht, daß das Platinblech auf der Hinterfläche direkt mit einer kühlenden Wassersäule bedeckt ist (Wasserkühlröhre, Fig. 9). Zum Weichermachen einer Röhre (Erhöhen des Gasgehaltes) benutzt man die Fähigkeit gewisser Metalle (Platin, Palladium), Wasserstoff diffundieren zu lassen (Osmose), oder die Eigenschaft bestimmter Substanzen (Ätzkali, Kohle, Glimmer), auf sich kondensierte Gase beim Erwärmen abzugeben.

9. Müllerröhre mit Wasserkühlung und automatischer Selbstregulierung.

Diese Substanzen befinden sich in einer der Hauptröhre angeschmolzenen Nebenröhre. Bei einigen Röhrenmodellen geschieht die Regulierung automatisch, so ist die in Fig. 9 wiedergegebene Müllerröhre mit einer die gasabgebende Substanz enthaltenden Hilfsanode h ausgerüstet, die mittels eines beweglichen Hebels f eine Funkenstrecke zwischen dieser Elektrode und der Kathode einzustellen gestattet; je nach dem erforderlichen Härtegrad wird diese Funkenstrecke größer oder kleiner eingestellt; bei zunehmender Härte gehen Funken zur Kathode über, wodurch die Substanz in der Hilfsanode sich erwärmt, das Vakuum sich ändert und die Röhre weicher wird. Nach dem erstgenannten Prinzip ist die in Fig. 8 dargestellte Röntgenröhre zu regulieren. Am Kathodenhals ist luftdicht ein nach außen geschlossenes Palladiumröhrchen o angebracht, das beim Erwärmen mit einer Flamme Wasserstoff aus dieser in das Innere der Röhre diffundieren läßt.

Zur Unterdrückung des Schließungsstromes, der die Röhren schnell hart macht und meistens bei weichen Röhren sich zeigt, benutzt man die sogen. Funkenstrecke oder die Ventil- oder Drosselröhre. Die Funkenstrecke (Fig. 10) wird in den sekundären Stromkreis eingeschaltet. Die beiden Elektroden sind in einer mit der Außenluft kommunizierenden Glasröhre angebracht, die an der Kathode des Induktors befestigt wird. Als Anode dient eine Metallspitze, als Kathode eine Metallplatte; diese Elektroden können einander genähert und voneinander entfernt werden. Man wählt den Raum so groß, daß gerade noch der Öffnungsfunke von der Spitze zur Platte überspringen kann.

10. Funkenstrecke zur Unterdrückung der Schließungsströme.

Auch in der Ventilröhre (Fig. 11) ist durch eine besondere Anordnung der Elektroden dem Schließungsstrom ein Widerstand in den Weg gelegt, den er nicht zu überwinden vermag. Diese Röhren, die auch im Gebrauch hart werden, können durch Osmoseregulierung wieder gebrauchsfähig gemacht werden.

Die Qualität einer Röntgenröhre, d.h. ihren Härtegrad, beurteilt man gewöhnlich nach der Intensität des Schattens, den die vorgehaltene Hand auf den durch die Röntgenstrahlen zur Fluoreszenz gebrachten Barium-Platin-Cyanür-Schirm wirft; je dunkler der Schatten, desto weicher die Röhre, und umgekehrt. Hiervor ist außerordentlich zu warnen, da die Schädigungen der Haut dauernde und große sind. Man nimmt daher am besten ein Handskelett. Auch mit den Skiametern läßt sich die Penetrationskraft der Röntgenstrahlen bestimmen.

11. Ventilröhre.

Der Apparat (Fig. 12 veranschaulicht die Handhabung) besteht aus schwarzem Karton; der Teil a ist 25 cm lang (mittlere Sehweite) und schließt bei den Augen lichtdicht ab. Er enthält einen Fluoreszenzschirm und hinter diesem auf Karton befestigt die aus Bleidraht gebogenen Zahlen 1–36, jede bedeckt mit einer der Nummer entsprechenden Anzahl von Stanniollagen gleicher Dicke. Der Teil c, der die Röhre berührt, sichert für alle Beobachtungen den gleichen Abstand von der Antikathode. Der Untersuchende erblickt in dem Apparat das Bild Fig. 13. Die höchste noch eben als Schatten auf dem hellern Hintergrund angedeutete Zahl gibt an, wieviel Stanniollagen die Röntgenstrahlen noch genügend zu durchdringen vermögen, und bietet den Maßstab für die Höhe des Vakuums.

12. Handhabung des Skiameters.

Walther hat ein Skiameter mit einer Härteskala konstruiert, bei der die Metallbelege nicht aus Stanniol, sondern aus Platin angefertigt sind; auch wächst die Dicke derselben nicht in arithmetischer, sondern in geometrischer Progression; hierdurch kommt man mit einer kleinern Zahl (8) Feldern aus, so daß eine Numerierung überflüssig, anderseits die Bestimmung des Härtegrades von der Belastung der Röhre so gut wie unabhängig ist. Andre Härtegradmesser sind noch der Radiometer von Benoist und der Kryptoradiometer von Wehnelt. So relativ einfach die Messung der Qualität der Röntgenstrahlen ist, um so schwieriger ist die quantitative Bestimmung; und doch ist gerade diese von der größten Wichtigkeit, zumal bei der therapeutischen Verwendung der Röntgenstrahlen, um ihre schädigende Wirkung auf den Patienten zu verhüten. Wir können zwischen einer indirekten und direkten Messung unterscheiden.

13. Schattenbild im Skiameter.

Bei der letztern schalten wir in den sekundären Stromkreis ein Milliamperemeter, das die Stromstärke, die die Röhre durchfließt, angibt. Diese Stromstärke ist nämlich der Menge der Röntgenstrahlen direkt proportional. Gleichzeitig ist aber eine Berücksichtigung des Härtegrades der Röhre erforderlich. Bedingung für die Anwendung des Milliamperemeters ist, daß die Röhre kein Schließungslicht zeigt, weil sonst der Zeiger des Milliamperemeters verkehrt ausschlägt. Bei der indirekten Methode wird die zu applizierende Strahlenmenge entweder aus der mehr oder minder starken Erwärmung der der Antikathode gegenüberliegenden Glaswand gemessen, was durch ein in die Röhre eingeschmolzenes Thermometer geschieht (Köhler-Wiesbaden), oder aus der durch die absorbierte Strahlenmenge bedingten Verfärbung gewisser Salze abgelesen. Eine Standardskala gibt an, welche Verfärbung vorhanden sein muß, um die verschiedenen Hautkrankheiten zu heilen.

Über die Anwendung des Verstärkungsschimmers zur Abkürzung der Expositionszeit, über die Verwendung der Blenden zur Unterdrückung der die Röntgenplatte verschleiernden Diffusionsstrahlen, über Meßapparate (Ortho-Röntgenographie) und über Schutzmaßregeln gegen die Schädigung durch Röntgenstrahlen siehe Röntgenstrahlen. Von großer Wichtigkeit ist die richtige Lagerung und Fixierung des aufzunehmenden Objekts auf besonders konstruierten Stühlen oder Tischen und durch Sandsäcke, Binden und Pelotten.

Röntgenbilder I.

Röntgenbilder II.