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Kristall Röntgengenerator

Grundlagen: Einige Materialien zeigen den pyroelektrischen Effekt. Hierbei werden durch Temperaturänderungen des Materials elektrische Ladungen getrennt die an der Oberfläche nachweisbar sind. Bei bestimmten Stoffen ist der Effekt sehr stark sodass er zum elektrischen Nachweis kleiner Temperaturänderungen verwendet werden kann. Bei den "Pyroelektrische Infrarot Detektoren" reicht die thermische Strahlung eines Menschen zur Erzeugung eines gut messbaren elektrischen Signals. Diese Detektoren werden oft in Bewegungsmeldern eingesetzt.
Einige Materialien, allen voran Lithiumniobat, haben derart hohe pyroelektrische Konstanten dass durch eine Temperaturerhöhung von einigen 10 Grad sehr hohe Potenziale erreicht werden. Baut man diese Kristalle in ein Vakuumgefäß werden durch die großen Feldstärken frei Elektronen beschleunigt die beim Auftreffen auf Oberflächen nachweisbare Röntgenstrahlen erzeugt werden. So können sehr kleine Röntgengeneratoren gebaut werden die zum Betrieb nur eine Heizspannung von wenigen Volt benötigen. Im komerziellen Maße werden solche Generatoren von der Firma Amptech unter der Bezeichnung "CoolX" gefertigt und verkauft.

Experiment: Für den Versuch wird ein kleiner Kristall aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat benötigt.Passende Kristalle können aus einem Oberflächenwellen Filter ausgebaut werden. In diesen Filter, welche die piezoelektrischen Eigenschaften von Lithiumniobat ausnützen sind kleine flache Kristalle enthalten. Die metallischen Strukturen auf dem Kristall müseen abgeätzt oder einfacher mit einer scharfen Klinge abgekratzt werden. Die Kristalle sind meist in der X-, oder Y-Ebene geschnitten, deshalb ist eine der schmalen Endflächen die interessierende Z-Ebene.

Zur Untersuchung der pyroelektrischen Eigenschaften wird der Kristall mit einer der beiden Z-Flächen mit UHU-Plus auf einen Heizwiderstand geklebt. Ebenfalls mit Kleber wird noch ein Temperaturfühler (Pt 100, NTC Widerstand) an den Heizer geklebt. Wird für den Heizer ein 50 Ohm Widerstand vorgesehen erhält man mit kleinen Spannungen um die 12V eine ausreichend hohe Temperaturänderung. Auch ohne Vakuumkammer kann die Anordnung getestet werden. Dazu wird vor der freien Kristallfläche eine BNC-Buches in etwa 5 mm Abstand montiert. Die Buchse wird dem Eingang eines Oszillographen verbunden wird. Beim Aufheizen des Kristalls sieht man dann Spikes von Mikroentladungen auf dem Schirm. Vor Röntgenstrahlung braucht hier keine Angst zu haben da bei diesem hohen Druck etwaige Elektronen keine Beschleunigungsstrecke haben um die für die Röntgenemission notwendige Energie zu erreichen.
Röntgenemission: Zum Test der Röntgenemission wird die Anordnung auf Vakuumdurchführung gelötet und in ein Glasrohr eingeklebt. Das andere Ende des Rohres wird mit einem durchbohrten Alustopfen veschlossen. Die Bohrung ist mit einer möglichst dünnen Alufolie vakuumdicht verschlossen. Ebenfalls im Alustopfen ist ein Pumpröhrchen eingeklebt durch das die Glasröhre evakuiert werden kann.

 
Das Diagram zeigt eine Messung der Röntgenemission bei einem Druck von etwa 0.07 mBar. Es wurde ein Zählrohr 18505 mit Glimmerfenster verwendet. Die Heizspannung betrug 10 V, die Heizleistung somit 2 Watt.Zur Temperaturanzeigt dient ein NTC Widerstand sodass leider nur der Temperaturverlauf, nicht aber absolute Werte gemessen werden konnte. Man sieht dass sowohl beim Aufheizen wie auch bei Abkühlen des Kristalls Röntgenstrahlung emittiert werden und die Zählrate deutlich über der Untergrundrate liegt.
Die Emission der Strahlung ist ziemlich niedrig, weit weniger als bei dem >>Tesafilmexperiment<< . Der Nachteil dieser einfachen Anordnung ist die große Wärmeträgheit, da der Widerstand nur über die Anschlussleitungen abgekühlt wird, der Beitrag der Kühlung durch die Wärmestrahlung ist sehr klein. Besser ist die Montage des Kristall auf einem kleinen Peltierelement mit dem aktiv gekühlt werden kann.durch einfaches Umpolen der Betriebsspannung kann dann gekühlt oder geheizt werden. Ein weiterer Nachteil ist die Verwendung des Epoxy Klebers der bei hoher Temperatur im Vakuum abdampft und sich auf dem Kristall niederschlägt.