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Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.
Es ist bis in die jüngste Zeit hinein als Ideal einer Apparatur für den Betrieb von Röntgenröhren der Betrieb mit ruhender Gleichspannung hingestellt worden, und zwar für die Zwecke der Tieftherapie, weil man sich davon eine besonders'homogene Strahlung versprach, für die
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städtischen Wechselstromnetze (50 bis 60 Perioden, in ganz seltenen Ausnahmefällen 125 Perioden) zu arbeiten.
Neue Untersuchungen des Erfinders haben ergeben, dass zwar bei diesen niedrigen Periodenzahlen bereits geringe Abweichungen von derjenigen Strahlenbeschaffenheit vorhanden sind, welche man bisherigen Anschauungen gemäss zu erwarten hat, dass aber diese geringen Abweichungen noch keine nennenswerten Vorteile für die technische Anwendung mit sich bringen. Erst bei höheren Frequenzen beobachtet man, dass die Ausbeute und Härte der Strahlung wächst und es möglich erscheint, auch die Homogenität der Strahlung in dem Sinne zu steigern, dass dem kurzwelligsten Gebiete des Spektrums sich eine hervorragende Intensität zuweisen lässt.
Diese Beeinflussung der Strahlenbeschaffenheit durch die Frequenz der Betriebsspannung hängt damit zusammen, dass die Röntgenstrahlung nicht nur durch den momentanen Zustand des Kathodenstrahles-also nicht nur durch die in jedem Zeitpunkte gegebene Geschwindigkeit und Dichte der Elektronen-sondern auch durch die zeitliche Änderung der einen oder beider genannten Grössen bestimmt wird. Die Ausbeute ist eine um so bessere und die Härte eine um so grössere-
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der Zeiteinheit erfolgen. In die Sprache einer elektrotechnischen Betriebsvorschrift übertragen bedeutet das, dass man sich zu bemühen hat, einen Röntgenbetrieb zu verwirklichen, bei welchem die Milliamperezahl in der Röhre, die Kilovoltzahl an den Röhrenklemmen oder beide möglichst rasche und möglichst häufige zeitliche Änderungen erfahren.
Es kommt also darauf an, einen möglichst steilen Verlauf der Strom-und Spannungskurven zu wählen und darauf zu achten, dass beide Grössen stets nur eine so geringe Zeit lang, wie irgendwie möglich, unverändert bestehen bleiben, da während der Zeitspanne, während welcher die genannten Grössen konstant sind, eine geringere Ausbeute an Röntgenstrahlen und eine weniger harte Strahlung entsteht. Das anzustrebende Ideal ist also ein Strom-und Spannungsverlauf, der durch eine steil ansteigende und steil abfallende. im Scheitel absolut spitze Kurve gegeben ist.
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geringen Zeitdauer des einzelnen Stosses eine grosse Gesamtstrahlenintensitiit zu liefern.
Der beste Röntgenbetrieb wird also dadurch verwirklicht. dass eine möglichst ungedämpfte Schwingung von einer erhöhten Frequenz und hoher Amplitude angewandt wird.
Dasjenige, worauf es physikalisch letzten Endes ankommt, ist also eine möglichst rasche Änderung der Elektronengeschwindigkeit und ihrer Dichte im Brennfleck. Soll aber die Dichte um bedeutende Werte rasch geändert werden, dann ist es klar. dass es von Vorteil ist, mit möglichst grossen Elektronendichten, also mit einer tunlichst hohen spezifischen Belastung des Brennfleckes zu arbeiten.
Allerdings ist bereits früher des öfteren versucht worden, mit hochfrequenten Schwingungen Röntgenstrahlen zu erzeugen, freilich aus ganz anderen Gründen als den durch die obigen Er-
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die hier zu beschreibenden Anordnungen hervorgegangen, sondern etwas wesentlich andeies.
Man erkennt, dass die Gesichtspunkte, von denen man früher ausging. ihrem Wesen nach
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Einsetzen der Entladung in der Röhre so gut wie aperiodisch gedämpft wurde. Ja. man schuf geradezu geflissentlich Anordnungen, die eine aperiodisch gedämpfte Schwingung lieferten.
Denn die damals benutzten gashaltigen Röntgenröhren wurden durch die verkehrt gerichtete Spannung (den Fehlwechsel) rasch zerstört, schon allein wegen der Zerstäubungen, die eine solche verkehrt gerichtete Spannung bewirkte.
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genommen wurde. um mit Schwingungen Röntgenstrahlen zu erzeugen, tag nicht daran, dass man die damals unbekannte Erhöhung der Ausbeute und der Strahlenhärte eines solchen Betriebes der Allgemeinheit hätte zugänglich machen wollen ; den Bestrebungen lag vielmehr ein ganz anderer Anlass zugrunde. Es gab damals zahlreiche für medizinische Zwecke verwendete Hochfrequenzapparate, und es wäre sehr erwünscht gewesen, wenn diese Apparate
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Als die Hochvakuumröhren (Lilienfeld, Coolidge) in Verkehr kamen, war man bereits weit davon entfernt, an die Schaffung solcher Notbehelfe zu denken. Die Röntgentechnik war so weit gediehen, dass von allen Seiten nur nach leistungsfähigen Apparaten gefragt wurde. Dass aber gerade eine hervorragend leistungsfähige Apparatur aus der Verbindung einer Hochvakuumröhre mit erhöhter Frequenz des Betriebsstromes Aussicht auf eine gewerbliche Anwendung hätte, wurde nicht erkannt.
Und doch bietet der Betrieb einer gasfreien Röhre mit erhöhter Frequenz vielleicht die einzige praktische Möglichkeit, die erörterten Vorteile der Frequenzerhöhung tatsächlich nutzbar zu machen. Denn nur die Hochvakuumröhre allein ist so beschaffen, dass sie unter der verkehrt gerichteten Spannung nicht leidet, den Fehlwechsel vielmehr nach Art eines Ventils abschirmt.
Ferner machen noch andere Eigenschaften die Hochvakuumröhre für den Betrieb mit höheren Frequenzen hervorragend geeignet vom Gesichtspunkte der eingangs beschriebenen Erkenntnis aus. Denn in keiner anderen Röhre lässt sich der Gang der Kathodenstrahlen und damit die Elektronendichte im Brennfleck derartig nach Belieben formen und auch festhalten ohne Rücksicht auf die durch den Schwingungsvorgang bedingten Unstetigkeiten in der Entladung. In der Tat ist aber ein streng definierter unverrückbarer Brennfleck von bedeutender Elektronendichte Voraussetzung des mit hohen Frequenzen erreichbaren Erfolges.
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Schwingungen im Wege stehen, ist aber noch ein anderer nachteiliger Umstand vorhanden. der sich bei der gashaltigen Röhre nicht umgehen lässt, wohl aber bei der Hochvakuumrölire.
Betreibt man nämlich die Röntgenröhre nicht-wie das bei der Hochvakuumröhre an sich möglich und vorteilhaft ist-mit einem Hochfrequenzmaschinengenerator. sondern mit einem Schwingungskreise, so entzieht die Entladung dem Kreise erhebliche Energiemengen und verursacht dadurch eine Dämpfung des Schwingungsvorganges. Die Folge davon ist, dass die Schwingung annähernd aperiodisch wird. Das verhindert aus den oben auseinandergesetzten Gründen das Zustandekommen eines ökonomischen Betriebes. Bei der Gasröhre besteht keine Möglichkeit, dieser Schwierigkeit zu entgehen, wohl aber bei der Hochvakuumröhre, indem man den Schwingungskreis nur mit geringer Energieentnahme und nur zu diesem Zwecke in
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Verfahren zu veiwliklicheil, etläuteit.
Allen diesen Mlöglichkeiten sind aber-den bisherigen Auseinandersetzungen zufolge-folgende Merkmale gemeinsam :
Es werden Hochvakuumröhren benutzt und es wird in dem Raume zwischen den strahlungserzeugenden Elektroden solcher Röhren ein mit einer die gewöhnliche Frequenz des technischen Wechselstromes (bis 125 sekundlich) überschreitenden Frequenz schwingendes Feld angeordnet, so dass der Kathodenstrahl hinsichtlich seiner Entstehungsbedingungen bzw. auf der Bahn, auf welcher er sich fortbewegt, dem Einfluss dieses schwingenden Feldes unterworfen ist.
Die eine Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, die zwischen Kathode und Antikathode der Röhre angelegte Spannung mit erhöhter Frequenz pulsieren zu lassen, so dass man
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zeichnerischer Darstellungen.
Ausser dieser ersten Ausführungsform des Verfahrens bestehen noch weitere Möglichkeiten,
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Eine dieser weiteren Ausführungsformen ist in Fig. i verwirklicht. Die Figur stellt eine Lilienfeldröhre dar. Die Entladung im Zündkreis der Röhre, also zwischen der vom Heiz-
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spule L2 an die Glühlampe und die Lochkathode angeschlossen sind, während durch induktive Einwirkung seitens der Spule L den Spulen eine E. M. K. erteilt wird, die mit höherer Frequenz schwingt.
Zwischen Lochkathode K und Antikathode A liegt eine ruhende oder mit der Frequenz des technischen Wechselstromes pulsierende, vom Röntgentransformator T gelieferte Spannung.
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Schwingungsvorgang nicht von einem besonders gespeisten Schwingungskreise dem Zündteile der Lilienfeldröhre aufgedrückt, sondern es ist dieser Zündteil selbst als Senderöhre ausgebildet. Zu diesem Zwecke ist eine Netzelektrode N zwischen Glühlampe G und Lochkathode K vorgesehen. Als Schaltung kann eine jede bekannte Senderöhrenschaltung benutzt werden. In der
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auf induktivem Wege geschieht.
Tz ist der in diesem Falle konphas mit dem Röntgentransformator Tr zu betreibende, den Zündkreis speisende Transformator, welcher über die Selbstinduktionsspule L2 an der Glühlampe G liegt, andrerseits aber direkt mit der Lochkathode K verbunden ist. Die Selbstinduktionsspule L2 ist mit Hilfe der Kapazität C zu einem Schwingungskreise ergänzt und ist andrerseits mit einer Selbstinduktionsspule Lj gekoppelt, welche eine schwingende Spannung zwischen der Glühlampe G und der Netzelektrode N aufrecht erhält und dadurch in der an sich bekannten Weise die Entstehung der Schwingung veranlasst.
Eine dritte Ausführungsform des Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird der Kathodenstrahl, welcher an der mit K bezeichneten Stelle entsteht, stufenweise beschleunigt.
Das den Kathodenstrahl beschleunigende Feld ist nämlich mit Hilfe der Blende B so unterteilt,
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und B befinden sich die beiden Ablenkungsplatten P1 und Pu, zwischen welchen eine hochfrequent schwingende E. M. K. aufrecht erhalten wird. Dadurch wird verursacht, dass, wenn gewisse Spannungsdifferen2en zwischcn P1 und Pz bestehen, der Kathodenstrahl abgelenkt wird und auf die Blende B fällt, während zu anderen Zeitpunkten der Kathodenstrahl frei durch die Öffnung in B hindurchtritt und auf die Antikathode A gelangt. Dadurch wird eine mit er-
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strahles anstatt in den zwei Stufen K B und B A noch in drei oder noch mehreren ebensolchen Stufen erfolgen.
Ferner kann an Stelle des elektrostatischen zwischen P1 Ps schwingenden Feldes ein elektromagnetisches angeordnet werden, einfach, indem die Röhre in die Nähe einer Spule oder zwischen zwei Spulen gebracht wird, welche von dem Strome höherer Frequenz durchflossen werden. Dann erfolgt die Ablenkung des Kathodenstrahles in dem elektromagnetischen Wechselfelde.
Die Aufrechterhaltung der beschriebenen Spannungen kann durch verschiedene Schaltanordnungen verwirklicht werden. In der Fig. 3 ist eine der möglichen Schaltungen angedeutet. Die Sekundärspule des Röntgentransformntors T ist in zwei ungleiche Teile unterteilt. Die
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eine kleinere Unterteilung 1F liefert den Spannungsabfall in der ersten Besehteun ! gung. sstute des Kathodenstrahles, also zwischen Fund B. Die andere grössere Unterteilung liefert die Spannung zwischen Bund A. Die schwingende Potentialdifferenz zwischen Pi und P2 wird von der Selbstinduktionsspule L2 geliefert, in welcher eine entsprechend schwingende E. M. K. von der mit einem nicht näher angedeuteten Schwingungskreise zusammenhängenden Spule Li induziert wird.
Die Verbindung zwischen dem Röntgentransformator TR und der Spule Li kann in der aus der Figur ersichtlichen Weise hergestellt werden, indem die erste Stufe des Transformators Tu mit dem Mittelpunkte 5 von L2 verbunden wird, es bestehen aber offenbar auch andere Schaltungsmöglichkeiten.
PATnNT-ANSPRf'CHH :
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einer Röhre extremen Tiefdruckes in dem Raume, in welchem die Entladung besteht, ein mit einer die gewöhnliche Frequenz des technischen Wechselstromes (bis 125 sekundlich) überschreitenden Frequenz schwingendes Feld derartig angeordnet ist, dass dem auf den Brennfleck aufprallenden, in seinem Verlaufe zwischen Kathode und Antikathode beschleunigten Kathodenstrahl sich zeitliche Änderungen der Geschwindigkeit sowie der Dichte der in ihm bewegten Elektronen oder einer dieser Grössen allein im Takte der erhöhten Frequenz übertragen.