Frage zur Röntgenstrahlung eines CRT Monitors

[Gast]

Wenn man bei einem CRT Monitor die dargestellte Fläche ganz klein macht,
dann erhöht man dadurch doch die Intensität des Elektronenstrahls auf dieser Fläche.
Gilt dies dann nicht auch für die auftretende Röntgenstrahlung?

Und wenn man die ganze Energie auf einen einzigen Bildpunkt konzentriert, reicht dann überhaupt nocht das Bleiglas aus um die Röntgenstrahlung abzuhalen?
Diese Konzentration der ganzen Monitorenergie auf einen Punkt hatte ich nämlich mal bei einem defekten CRT.
Da war die Ablenkeinheit defekt bzw. ging nach ein paar Stunden warmlaufen des MOnitors nicht mehr und alles implodierte quasi zu einem hellen Bildpunkt in der Mitte der dann aber auch wirklich sehr hell war verglichen mit einem normalen weißen Bildpunkt.

[SavageX]

Zwar würde die Erzeugung der Bremsstrahlung auf eine kleinere Fläche konzentriert, doch da weder die Anzahl der Elektronen noch deren Energie zunimmt, würde es zu keiner größeren Strahlungsleistung kommen.

[Gast]

die beschleunigungsspannung in den röhren reicht einfach nicht aus um, die hohe frequenz von röntgenphotonen zu erreichen.

[SavageX]

die beschleunigungsspannung in den röhren reicht einfach nicht aus um, die hohe frequenz von röntgenphotonen zu erreichen.

"Röntgenstrahlung" ist ein weites Feld und "beginnt" schon bei 100 eV (kuschelweiche Röntgenstrahlung). Selbst wenn man das nicht mehr als "eigentliche" Röntgenstrahlung durchgehen lassen wollte, dann hat man natürlich weiterhin eine Bremsstrahlung.

[Piffan]

Zwar würde die Erzeugung der Bremsstrahlung auf eine kleinere Fläche konzentriert, doch da weder die Anzahl der Elektronen noch deren Energie zunimmt, würde es zu keiner größeren Strahlungsleistung kommen.

Richtig. Solange nicht mehr Heizstrom bzw. mehr Spannung zugeführt wird, ändert sich weder die Intensität noch die Qualität der Bremsstrahlung. Allerdings ist der "Phosphor" an der Stelle ausgebrannt.

[elianda]

Nehmen wir mal an die Roehre ist aus Glas, also SiO2, dann haben die Stoffe diese Bindungsenergien:

Si: 1s 1839 eV
2s 149.7
2p 1/2 99.8
2p 3/2 99.2

O: 1s 543.1
2s 41.6

P: 1s 2145.5
2s 189
2p 1/2 136
2p 3/2 135
1s entspricht der K alpha 1 Roentgenabsorptionskante.

Nun sind Roehren auf 27 kV limitiert, das liegt ueber dem 1s Niveau, also entsteht erst einmal Roentgenbremsstrahlung.
Stellt sich natuerlich die Frage nach wieviel Glasdicke diese soweit abgefallen ist, dass die Intensitaet vernachlaessigbar wird.

Diese Seite zeigt z.B. Absorptionsmessungen von Bleiglasfenstern, das auch bei Roehren verwendet wird: http://www.torrscientific.co.uk/ar_coatings.htm
Man erkennt gut, dass unter 300nm keine messbare Transmission mehr stattfindet.

Die zweite Frage ist natuerlich, wie stark muss man es Fokussieren, dass das Absorptionsverhalten schwaecher wird. Eine Aenderung entsteht genau dann, wenn soviele Photonen vorhanden sind, dass sie durch weite Bereiche von Atomen fliegen koennen, die noch im angeregten Zustand sind. Damit wuerde der Stoff fuer die Photonen transparent werden.
Das bedeutet man muesste es schaffen, lokal eine so hohe Energiedichte zu bekommen, dass man alle Atome im angeregten Zustand haelt.
Ich habe es nicht nachgerechnet, aber ich denke mit einem normalen CRT bekommt man den Elektronenstrahl nicht so stark fokussiert, dass man eine solche Energiedichte erreicht.
(Eine defekte Ablenkeinheit bedeutet noch nicht, dass der Strahl besser fokussiert als im Normalbetrieb).

[Piffan]

Nehmen wir mal an die Roehre ist aus Glas, also SiO2, dann haben die Stoffe diese Bindungsenergien:

Si: 1s 1839 eV
2s 149.7
2p 1/2 99.8
2p 3/2 99.2

O: 1s 543.1
2s 41.6

P: 1s 2145.5
2s 189
2p 1/2 136
2p 3/2 135
1s entspricht der K alpha 1 Roentgenabsorptionskante.

Nun sind Roehren auf 27 kV limitiert, das liegt ueber dem 1s Niveau, also entsteht erst einmal Roentgenbremsstrahlung.
Stellt sich natuerlich die Frage nach wieviel Glasdicke diese soweit abgefallen ist, dass die Intensitaet vernachlaessigbar wird.

Diese Seite zeigt z.B. Absorptionsmessungen von Bleiglasfenstern, das auch bei Roehren verwendet wird: http://www.torrscientific.co.uk/ar_coatings.htm
Man erkennt gut, dass unter 300nm keine messbare Transmission mehr stattfindet.

Die zweite Frage ist natuerlich, wie stark muss man es Fokussieren, dass das Absorptionsverhalten schwaecher wird. Eine Aenderung entsteht genau dann, wenn soviele Photonen vorhanden sind, dass sie durch weite Bereiche von Atomen fliegen koennen, die noch im angeregten Zustand sind. Damit wuerde der Stoff fuer die Photonen transparent werden.
Das bedeutet man muesste es schaffen, lokal eine so hohe Energiedichte zu bekommen, dass man alle Atome im angeregten Zustand haelt.
Ich habe es nicht nachgerechnet, aber ich denke mit einem normalen CRT bekommt man den Elektronenstrahl nicht so stark fokussiert, dass man eine solche Energiedichte erreicht.
(Eine defekte Ablenkeinheit bedeutet noch nicht, dass der Strahl besser fokussiert als im Normalbetrieb).


Währe so ein "Photonendurchschuss" unabhängig von der Schichtstärke? Wahrscheinlich nicht, denn mit zunehmender Strecke durchs Glas erhöht sich ja die Zahl der Atome und damit verringert sich die Chance, alle Atome anzuregen.

[Spasstiger]

Zwar würde die Erzeugung der Bremsstrahlung auf eine kleinere Fläche konzentriert, doch da weder die Anzahl der Elektronen noch deren Energie zunimmt, würde es zu keiner größeren Strahlungsleistung kommen.
Er wollte ja wissen, ob die Gefahr steigt, dass überhaupt was aus dem Glas rauskommt.
Was wäre die lieber: Wenn dich ein Fussball oder ein Speer mit jeweils der gleichen Energie trifft? ;)

[elianda]

Währe so ein "Photonendurchschuss" unabhängig von der Schichtstärke? Wahrscheinlich nicht, denn mit zunehmender Strecke durchs Glas erhöht sich ja die Zahl der Atome und damit verringert sich die Chance, alle Atome anzuregen.

Nein, weil du mit der Energie der Photonen die Elektronen anregst, das heisst die Anzahl der Photonen verringert sich.
Hier darf man natuerlich nur die Atome beruecksichtigen, die angeregt werden. Je nach Atomsorte haben die verschiedene Wechselwirkungsquerschnitte, das heisst verschiedene Wahrscheinlichkeit ein 'vorbeifliegendes' Roentgenphoton zu absorbieren. Deshalb ist simples Glas nicht so gut, sondern wird Bleiglas verwendet. Ganz aus Blei waer auch schlecht....

Wenn man den Zustand erreichen will, dass man alle Atome anregt muss natuerlich gewaehrleistet sein, dass der Wechselwirkungsquerschnitt ausreichend gross ist. Sonst geben bis zum naechsten eingefangenen Photon die angeregten Atome ihre Energie wieder ab.

Da brauch man hohe Energiedichten, bei Roentgenstrahlung vielleicht ein Synchrotron oder bei sichtbaren Licht einen Ultrakurz Pulslaser. Sowas bekommt man nicht aus einem Monitor.
Bei einem Laser schafft man es dann z.B. mit dem kurzen Puls alle Atome die diese Photonen absorbieren anzuregen, wodurch der Bereich transparent wird. (Sie koennen ja kein zweites absorbieren). Die Energie wird dann teilweise auch an das Atomgitter abgegeben, das heisst die Stelle wo der Puls trifft wird heiss und schmilzt oder verdampft.
Deshalb hilft bei einem solchen Laser auch kaum eine Laserschutzbrille. Wenn der Puls kommt, wird die Schicht angeregt und transparent, die Rest Energie geht durch. Die Schutzschicht schmilzt oder verdampft an der Stelle. Dann kommt der naechste Puls....

[Gast]

Zwar würde die Erzeugung der Bremsstrahlung auf eine kleinere Fläche konzentriert, doch da weder die Anzahl der Elektronen noch deren Energie zunimmt, würde es zu keiner größeren Strahlungsleistung kommen.
Er wollte ja wissen, ob die Gefahr steigt, dass überhaupt was aus dem Glas rauskommt.
Was wäre die lieber: Wenn dich ein Fussball oder ein Speer mit jeweils der gleichen Energie trifft? ;)

Das ist beides nicht korrekt. Elianda beschreibt das schon ganz richtig. Denn die Strahlungleistung / Fläche ist ja entscheindend. Ich kann auch ein Stück Papier in die Sonne legen ohne das was passiert. Nehme ich eine Lupe sieht das schon ganz anders aus, ohne das mehr Photonen oder mehr Energie vorhanden ist. Die vorhandene Energie wird halt auf nur einen Punkt fokussiert. Daher ist auch der Speer/Fußballvergleich daneben. Es ist eher mit diesem interesannten Tischtennisbälle @ Skisprungchance-Video zu vergleichen (ganz viele TT-Bälle treffen gleichzeitig auf eine paar Menschen - alle fallen um).

[Gast]

Daher ist auch der Speer/Fußballvergleich daneben. Es ist eher mit diesem interesannten Tischtennisbälle @ Skisprungchance-Video zu vergleichen (ganz viele TT-Bälle treffen gleichzeitig auf eine paar Menschen - alle fallen um).
Edith sagt, dass das doch richtig ist - die Fläche mit der der Speer auftrifft ist deutlich kleiner und somit eine Penetration gegeben, während es beim Fußball wohl nur eine Hautrötung gegeben hätte.

[elianda]

Also von Roentgenbremsstrahlung zu Speeren und Fussbaellen zu kommen ist ziemlich weit weg von der Realitaet.
Ich hatte oben ja schonmal die Bindungsenergien der Elektronen auf ihren Niveaus erwaehnt. Bei Blei sind das eine ganze Menge mehr, da es ein Element mit hoehrere Ordnungszahl ist und daher mehr Elektronen hat:

(Auszug von www.webelements.com)

K 1s 88005 [1]
L I 2s 15861 [1]
L II 2p1/2 15200 [1]
L III 2p3/2 13035 [1]
M I 3s 3851 [1]
M II 3p1/2 3554 [1]
M III 3p3/2 3066 [1]
M IV 3d3/2 2586 [1]
M V 3d5/2 2484 [1]
N I 4s 891.8 [3]
N II 4p1/2 761.9 [3]
N III 4p3/2 643.5 [3]
N IV 4d3/2 434.3 [3]
N V 4d5/2 412.2 [3]
N VI 4f5/2 141.7 [3]
N VII 4f7/2 136.9 [3]
O I 5s 147 [2, values derived from reference 1]
O II 5p1/2 106.4 [3]
O III 5p3/2 83.3 [3]
O IV 5d3/2 20.7 [3]
O V 5d5/2 18.1 [3]

Wenn man nun annimmt, dass die Roentgenphotonen Energie der Bremsstrahlung bis zu der maximalen CRT Beschleunigungsspannung von 27 kV
geht, dann kann ein Photon Elektronen von 5d 5/2 bis 2s anregen.
Im Ergebnis fehlt dem Bleiatom danach dieses Elektron, da es sich danach durch die Scheibe bewegt mit der restlichen Energie.
zB 2p 1/2 wird angeregt, dann hat das Bleiatom dort erstmal ein fehlendes Elektron und das angeregte Elektron fliegt weg mit 27000-15200 = 11800 eV
(Ein Elektronenvolt entspricht der kinetischen Energie, die ein Elektron hat, das zB zwischen zwei Kondensatorplatten im Vakuum mit 1 V Spannung beschleunigt wird.)

Schauen wir erstmal wie das fehlende Elektron ersetzt wird im Blei:
Prinzipiell muss irgendwo ein Elektron herkommen, das den Platz des fehlenden besetzt. Es koennte also sein, dass vom Niveau 3p 1/2 eines auf 2p 1/2 'herunterfaellt' und die freiwerdende Energie wird als Photon abgegeben, das dann eine Energie von 11646 eV hat. Das Spiel kann man so fortsetzen um dieses Loch wieder zu fuellen.
Nun scheint das erstmal nicht soviel zu bringen, da man irgendwie nur statt einem Photon mit hoher Energie, zwei mit mittlerer bekommt...

Es gibt aber noch eine andere Variante. Es kann ein Elektron herunterfallen und die Energie wird abgegeben indem ein anderes Elektron angehoben wird und ggf. auch aus dem Atom herausgehoben, wie das erste Photoelektron.
Man hat damit kein Photon, sondern nur ein Elektron das sich weiterbewegt.

Betrachten wir mal die Elektronen die entstehen, wo deren Energie hingeht.
Erstmal ist naheliegend, das auch Elektronen mit vielleicht 11 keV Bremsstrahlung erzeugen im Potential des Festkoerpers (ala Bleiglas). Wenn die Elektronen aber ausreichend langsam werden, wird die Wegstrecke, die sie zuruecklegen koennen bis sie mit einem Atom wechselwirken sehr kurz.
Dabei werden sie dann nicht nur elastisch gestreut sondern auch inelastisch wo wieder mehr langsamere Elektronen entstehen. Zuletzt wird dann die Energie an die Schwingung der Atome selbst im Festkoerper abgegeben, so dass dieser schlichtweg warm wird.

Schaut man sich Blei mit der Ordnungszahl 82 an, dann sieht man sofort, dass da viel mehr Elektronen vorhanden sind, die wechselwirken koennen. Bis 27 KeV so etwa 80 (die zwei Elektronen des 1s Niveaus bekommt man mit nur 27 keV nicht). Ein Silizium Atom hat gerade mal 14 Elektronen.

Wenn man annimmt alle 0,2 nm ist ein Atom und man hat 1 cm Glasdicke , dann sind das 1 * 10^-3 m / 0.2 * 10^-9 m = ca. 5 Millionen Atome entlang der Glasdicke, wie auf einer Perlenschnur. Ok es ist nicht alles Blei, aber sobald die Energie verteilt ist, wirken auch die anderen Elemente. Weiterhin werden die eventuell entstehenden sekundaeren Photonen in eine zufaellige Richtung abgegeben.

Wahrscheinlich ist damit eher, dass man zuerst beginnt hinten das Glas aufzuschmelzen mit einem fokussierten Elektronenstrahl bevor man vorne Roentgenstrahlung messen kann.

Hier sind nochmal die drei Sachen dargestellt:
http://www.scienceofspectroscopy.info/edit/index.php?title=X-ray_Spectroscopy

von oben nach unten:
1. fehlendes Elektron in unterem Niveau wird durch eines von einem hoehren Niveau ersetzt und dafuer geht ein anderes Elektron 'raus'.
2. Photon regt ein Elektron an
3. Elektron faellt auf einen unbesetzten Platz und ein Photon gibt die freiwerdende Energie ab


Wobei es vermutlich egal ist ob ein Speer oder Fussball das CRT trifft.

[Gast hitcher]

ich denke der/die Threadersteller/in meint die Dosis der Röntgenstrahlung, die den Kopf trifft. Wenn man das Bild in der Mitte zusammenschiebt, ändert sich der Raumwinkel über dem abgestrahlt wird. zB. von 45° auf 10° in x und y.

[elianda]

Na wenn man die ganz normale Formel fuer eine Absorption nimmt:
I = I0 * exp (- k * x) , wobei I0 die eingetrahlte Intensitaet ist und x die Materialdicke, sieht man dass I mit der Dicke exponentiell abfaellt. (Intensitaet I)
Wenn man nun I0 beispielsweise verdoppelt durch eine Fokussierung, dann bedeutet das nicht, dass danach das gleiche I bei der Entfernung 2*x messbar ist.
mit I = 2* I0 * exp (-k * a*x) und I gleichsetzen, kommt man drauf, dass a = 1/ln(2) ist.
Also ist bei doppelter Intensitaet I0 nach 1.4 facher Weglaenge die gleiche Abschwaechung wie vorher...

[Rhönpaulus]

hängt nicht von der eingestellten bildfläche sondern nur vom strahlstrom (helligkeit) und der beschleunigung (spannungsdifferenz kathoden-anode) ab.
sowohl anodenspannung als auch strahlstrom sind mit schutzschaltungen versehen welche bei unzulässig hohen werten (technischer defekt) den monitor abschalten.
durch irgendwelche benutzereinstellungen kann man keine unzulässige strahlungsbelastung verursachen.
das dicke glas des schirmes schluckt übrigens auch noch einen nicht unwesendlichen teil der durch die maske entstehenden strahlung da es speziell dafür optimiert wurde.

[elianda]

An dem Diskussionspunkt waren wir schon. Natuerlich ist die Gesamtleistung konstant, aber wenn du bei identischer Strahlleistung (Emissionsstrom * Beschleunigungsspannung) diesen zB auf 1 cm2 rasterst, statt auf der gesamten Bildflaeche ist der Fluss hoeher.

Die Bremstrahlung wird nur in dem Bereich produziert und man bekommt mehr Photonen pro Flaeche und pro Zeit. Ob die Photonen dabei an der Maske oder dem Bleiglas entstehen, ist bei der Betrachtung nicht relevant.