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Röntgenröhre mit beweglicher Anode.
Bei Röntgenröhren mit beweglicher Anode ist die Belastungsdauer eines jeden Punktes des Brennfleckes durch die Zeit bestimmt, die er braucht, um das Kathodenstrahlenbündel zu durchlaufen. Während dieser Zeit steigt die Temperatur in dem Punkt stetig an.
Wenn am vorderen Rand des Brennfleckes, in seiner Bewegungsriehtung gesehen, nach Kreuzung des Kathodenstrahlenbündels die Temperatur ihren höchst zulässigen Wert erreicht hat, so bleibt sie in dem restlichen Teil des Brennfleckes geringer, als sie sein dürfte. Bei gegebener im Brennfleck zurückgelegter Weglänge ist, abgesehen von nebensächlichen Einflüssen, die Temperatur proportional der Belastung pro Oberflächeneinheit. Da nun die zulässige Belastung nur von der zulässigen Höhe der Anodentemperatur abhängt, so ergibt sieh, dass die Belastung sich steigern lässt, wenn dafür gesorgt wird, dass die höchstzulässige Temperatur schon erreicht wird, bevor das Kathodenstrahlenbündel ganz durcheilt ist.
Man hat nur darauf zu achten, dass sie nicht während des Durchlaufens der Anode durch das Kathodenstrahlenbündel über den höchstzulässigen Wert hinausgeht. Der ideale Fall wäre demnach, wenn die Temperatur über die ganze Brennfleckbreite konstant sein würde.
Erfindungsgemäss wird in einer Röntgenröhre mit beweglicher Anode ein Kathodenstrahlenbündel mit in der Bewegungsrichtung der Anode ungleichmässiger Dichte verwendet. An der der Bewegung der Anode zugekehrten Stirnseite des Bündels ist sie höher als an der ihr abgekehrten. Mit andern Worten : die spezifische Belastung der Anode ist an der Stirnseite des Brennfleckes am grössten. Dadurch steigt die Temperatur im Brennfleck schneller an als bei gleichmässiger Elektronenbelegung. Es kann dann ein viel grösserer Entladungsstrom zugelassen werden, u. zw. ein um so grösserer, je stärker die Elektronenverdichtung beim Beginn der Belastung ist.
Man kann auf diese Weise die Belastung pro Oberflächeneinheit an der Stirnseite auf das Zwei-oder Mehrfache der bei gleichmässiger Bewegung zulässigen Dichte bringen und dadurch einen erheblichen Gewinn an Milliamperen erzielen. Theoretisch würde man sogar mit einer unendlich grossen spezifischen Belastung anfangen können.
Das erwähnte Prinzip lässt sich auf verschiedene Weise verwirklichen. Zweckmässig wird die Elektronenverdichtung durch Temperaturunterschiede im Glühkörper der Kathode bewirkt. Man kann aber auch dafür sorgen, dass an der Stirnseite des Brennfleckes mehr von den emittierenden Elektronen durchgelassen werden als an der andern Seite, z. B. dadurch, dass vor der Kathode eine Hilfselektrode angeordnet wird, beispielsweise ein Gitter, dessen Masehenweite auf der der Anodenbewegung zugekehrten Seite entsprechend grösser ist. Auch kann man die emittierende Oberfläche einseitig vergrössern.
Die schematischen Abbildungen geben einige Ausführungsmöglichkeiten an. Mit diesen erschöpft sich jedoch die Erfindung nicht, die sich ganz allgemein auf die Anwendung des genannten Prinzips bezieht.
Die Fig. 1-4 zeigen Beispiele für die Beeinflussung der Elektronendiehte durch die Temperatur des Glühkörpers ; Fig. 5 gibt an, wie ein Gitter die gewünschte ungleichmässige Belastung verursachen kann ; die Fig. 6,7 und 8 zeigen, wie man die emittierende Oberfläche örtlich vergrössern kann ; Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem ein Hilfsglühkörper verwendet wird ; Fig. 10 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch das Elektrodensystem einer Röntgenröhre, senkrecht zur Längsachse des Brennflecks. Mit 1 ist die Anodenvorderfläche angedeutet, die sich in der Pfeilrichtung bewegt. Die Anode kann in bekannter Weise so ausgeführt sein, dass der Brennfleck auf der Grundfläche eines in der Röhrenachse gelagerten Zylinders gebildet wird, der von einem ausserhalb der Röhre angeordneten
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magnetischen Stator in Drehung gebracht wird. Die Kathode besteht aus einem Glühkorper 2, der in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel die Form eines schraubenförmig gewundenen Drahtes hat, dessen Achse senkrecht zur Zeichenebene steht, und der Sammelvorrichtung J. Diese hat eine Aushöhlung. die den Glühdraht aufnimmt.
Auf der linken Seite bei 4 liegt die Wand dieser Aushöhlung nahe an dem Glühkörper 2 und hat eine gut reflektierende Oberfläche, auf der rechten Seite rückt sie von dem Glühkörper weiter ab. Die Wand kann aber auch den gestrichelt angedeuteten Verlauf haben ; dann soll aber der gestrichelte Teil ein möglichst geringes Reflexionsvermögen haben. Dadurch, dass nach links hin die Wärmeausstrahlung aus dem Glühkörper viel geringer ist als nach rechts hin, erhöht sich hier die Temperatur und dadurch die Elektronenemission, so dass die Entladungsstromdichte nach links hin zunimmt und die Röhre dem- zufolge besser ausgenutzt werden kann.
Fig. 2 zeigt einen Glühdraht 5, der aus ovalen Windungen besteht. Die Sammelvorrichtung 6 ist hier zu beiden Seiten des Glühfadens symmetrisch, aber der Glühdraht selbst ist auf der linken Seite abgeätzt, so dass dort sein Durchmesser kleiner und die Dichte des Heizstromes grösser ist. Die Temperatur des Glühdrahtes ist also beim Betriebe links höher als rechts, die Elektronendichte wird dadurch von rechts nach links zunehmen.
In Fig. 3 ist eine harfenförmige Glühkathode dargestellt. Die Saiten, deren Dicke von links nach rechts abnimmt, sind parallel geschaltet. Bestehen sie aus demselben Material, so ist, abgesehen von dem Einfluss der Temperatur auf die Leitfähigkeit, in jeder Saite die Dichte des Heizstromes dieselbe.
Da aber der dicke Draht eine geringere Wärme ausstrahlende Oberfläche pro Kubikmillimeter Inhalt hat als der dünnere, wird beim Betriebe seine Temperatur höher und werden von ihm mehr Elektronen ausgesendet. Die Anode ist dementsprechend von links nach rechts laufend zu denken.
Bei der Kathodenform nach Fig. 4 sind die Drähte nicht wie bei der Kathode nach Fig. 3 in leitende Blöekehen 7 und 8, sondern in isolierende Blöekehen 9 und 10 eingeklemmt und in Reihe geschaltet.
Die Stromstärke ist hier in jeder Saite die gleiche und die Stromdichte ist um so grösser, je dünner die Drähte sind. Die dünnste Saite wird hier also am heissesten und emittiert die meisten Elektronen. Die Anode ist von rechts nach links laufend zu denken und die Belastung nimmt in der gleichen Richtung ab.
Gemäss Fig. 5 befindet sich vor dem Glühkörper 11 ein Drahtgitter 12, das mit der Kathode ver- bunden oder von dieser isoliert angeordnet sein und ein geringes negatives Potential gegenüber der Kathode haben kann. Im letzten Falle ist seine sperrende Wirkung grösser. Die Maschen des Gitters sind links weiter als rechts. Es werden demzufolge links mehr Elektronen durchgelassen als auf der rechten Seite, und die spezifische Belastung des Brennfleekes auf der Anode 1 nimmt dadurch von links nach rechts ab.
Man kann nun bei richtiger Dimensionierung des Gitters den Anodenstrom der Röhre so hoch steigern, dass auf der Seite des Brennfleckes die spezifische Belastung herrscht, die auch bei gleichmässiger Brenn- fleckbelegung die Temperatur hier auf den höchstzulässigen Wert ansteigen lassen würde. Das Integral
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stromstärke erhalten.
Dies kann noch an Hand der Fig. 10 näher erläutert werden. Von der Nullinie ab ist nach oben die spezifische Belastung (Stromstärke pro Millimeter Brennfleckbreite) aufgetragen, nach unten die Temperatur an der Anodenoberfläehe. Wird der Brennfleck über seine ganze Breite OC konstant mit einer Stromdichte OA belastet (die bisher normale Belastungsweise), so steigt die Temperatur bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit der Anode gemäss der Kurve t1 bis auf den Wert OD an. Danach hat der belastete Punkt Gelegenheit zur Abkühlung und sinkt die Temperatur z. B. gemäss der Kurve EF.
Ist OD die für das Anodenmaterial geltende hochstzulässige Temperatur, so stellt die Oberfläche des Rechtecke OABO die hochstzulässige Röhrenstromstärke bei gegebener Drehgeschwindigkeit dar.
Die Temperatur darf nicht höher als OD werden, ihr Anstieg aber steiler sein als nach der Kurve 11.
Sie könnte ohne Schaden für die Anode während der ganzen Belastungszeit den Wert OD haben. Eine dem Temperaturverlauf NODEF entsprechende Belastung wird durch die Kurve b2 dargestellt. Wenn sieh auch dieser Grenzfall nicht erreichen lässt, so wird doch schon eine erhebliche Verbesserung erzielt. wenn die Temperatur z. B. gemäss der Kurve t3 verläuft, was mit der Belastungsverteilung verwirklicht werden kann, welche die Kurve b3 darstellt.
Wird die Kathodenstrahlendichte so bemessen, dass die spezifische Belastung des Anodenmaterial
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fortgesetzt werden, und können die nach rechts offenen sekundären Schleifen wieder tertiäre Schleifen haben. Die Zunahme der Emission von links nach rechts erfolgt dann gleichmässiger. Die Schleifen brauchen nicht in einer Ebene zu liegen : es kann der Glühdraht auch gewölbt oder schraubenförmig gewickelt sein.
An Stelle eines einzelnen Drahtes mit zusätzlichen Schleifen kann man einen Glühkörper verwenden, bei dem eine Drahtschraube exzentrisch in einer andern von grösserem Durchmesser liegt.
Fig. 7 gibt von dieser Ausführungsform ein Beispiel, bei welchem die dünne Wendel 14 dieselbe Ganghöhe hat wie die dickere 15 und so angeordnet ist, dass die Windungen eine gemeinsame Berührungslinie 16 haben. Die Windungen der Schraube 14 liegen dabei zwischen den Windungen der Schraube 15, ohne dass sich die beiden Wendeln berühren. Auch auf diese Weise wird eine örtliche Erhöhung der spezifischen Belastung der Anode erzielt, da über die gemeinsame Berührungslinie der beiden Drahtschrauben die Elektronenemission grösser ist als über den restlichen Teil der Oberfläche.
Fig. 8 zeigt die Lage des Doppelglühdrahtes in der Sammelvorrichtung 17 gegenüber der sieh drehenden Anode 1.
Gemäss Fig. 9 liegen zwei Glühdrähte 18 und 19 nebeneinander, von denen der eine, 19, gegenüber der Anode 1 abgedeckt ist. Die Wärmeentwicklung in dem Draht 19 unterstützt die Temperatursteigerung im Draht 18, wodurch dieser an der dem Draht 19 zugekehrten Seite heisser wird und stärker emittiert als an der gegenüberliegenden Seite. Dazu kommt noch, dass auch von dem Glühdraht 19 Elektronen in die Entladungsbahn gelangen und die Belastung an der Stirnseite des Brennfleckes verstärken.
Wo in der gegebenen Schilderung von einer beweglichen oder von einer sich drehenden Anode die Rede ist, wird darunter auch die Betriebsweise verstanden, bei der die Anode mit der Röhre zusammen mit Bezug auf eine stillstehende Kathode bewegt wird, oder eine solche, bei der das Kathodenstrahlenbündel magnetisch oder elektrisch auf die gewünschte Stelle der sich mit Bezug auf das Kathodenstrahlenbündel bewegenden Anodenoberfläche gelenkt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Röntgenröhre mit beweglicher Anode, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Belastung des Brennfleckes in der Bewegungsnchtung der Anode abnimmt.