Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Alle bisher bekannt gewordenen Röntgen röhren zeigen in bezug auf ihre Elektroden eine ausgesprochene Unsymmetrie. Kathode und Antikathode sind nach Bauart und Ma terial vollkommen verschieden, und jede dieser Elektroden ist nur für eine einzige Funktion bestimmt. Bei einer gewöhnlichen Röntgen röhre besteht zum Beispiel die Kathode aus einer meist hohlspiegelartig geformten Alu miniumplatte, und die Antikathode aus einem mit Kühleinrichtung versehenen Kupferrohr, das auf der der Kathode zugekehrten Seite durch eine Platte aus Platin, Wolfram oder dergleichen geschlossen ist.
Bei den Cllüh- kathoden-Röntgenröhren tritt an Stelle der Aluminiumkathode ein Draht aus schwer schmelzbarem Metall, wie Wolfram, Tantal usw., der meist von einer Sammelvorrichtung umgeben ist. Stets hat die eine der Elektro den die Aufgabe, Kathodenstrahlen zu er zeugen, während die andere dazu dient, die Kathodenstrahlen aufzufangen und dadurch die Emission von Röntgenstrahlen zu be wirken.
Dementsprechend erfordert der Betrieb der bisherigen Röntgenröhren grundsätzlich die Verwendung von Strömen einer einzigen Richtung, und zwar derjenigen, für die die zum Aussenden von Elektronen bestimmte Elektrode Kathode ist. Die Röntgentechnik war infolgedessen darauf angewiesen, zum Betriebe von Röntgenröhren besondere Ein richtungen (Induktor, Gleichrichter usw.) zu schaffern, um hochgespannte, völlig einseitig gerichtete Ströme in grösserem Umfange her zustellen.
Durch die Erfindung wird nun eine Ein richtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen geschaffen, die den Betrieb mit Wechselstrom (nicht nur Wechselspannung) ermöglicht und damit den Zwang der Verwendung von Strö men nur einer einzigen Richtung vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Röntgen röhre mit mindestens zwei sich in bezug auf Material und Bauart gleichartig verhaltenden Elektroden verwendet, deren jede als Kathode und als Antikathode verwendbar ist. Wäh rend einer Phase des die Röhre betreibenden Wechselstromes dient die eine Elektrode als Kathode, die andere dagegen als Antikathode und während der andern Phase kehrt sich dieses Verhältnis um.
Dementsprechend hat die so gebaute Röntgenröhre nicht mehr eine, sondern zwei Ausgangsstellen für die Röntgen strahlen und ist infolgedessen für diagnostische Zwecke, die eine möglichst punktförmige Strahlenquelle erfordern, nicht ohne weiteres verwendbar, während hierin für andere Zwecke, z. B. für die Therapie, kein Nachteil liegt.
Auf der Zeichnung zeigen Fig. 1 bis 6 mehrere beispielsweise Ausführungsformen von nach der Erfindung gebauten Einrich tungen für Wechselstrombetrieb. Fig. 1 zeigt die Schnittansicht einer Röntgenröhre mit Gasfüllung; Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer Glühkathoden-Röntgenröhre mit ihrer Schaltung;
Fig. 3 zeigt einen teilweise in Ansicht dargestellten Schnitt einer Abände- rungsform der Glühkathoderi-Röritgenröhre, von der Fig. 4 eine Ansicht der Elektroden platten veranschaulicht; Fig. 5 zeigt eine An sicht und Fig. 6 ein Schaubild einer Abände- rungsform der Elektroden der Glühkathoden Röritgenröhre nach Fig. 3; Fig. 7 zeigt eine Einrichtung zum Betriebe einer Glühkathoden Röntgenröhre in schematischer Darstellung.
Bei der Röntgenröhre nach Fig. 1 hat die Glaskugel 1 zwei Ansätze 2, in denen die beispielsweise aus Aluminium bestehenden, hohlspiegelartig geformten Elektroden 3 ein ander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Krümmung der Hohlspiegel ist so zu wählen, dass die von jedem der Hohlspiegel ausgehen den Kathodenstrahlen sich auf dein gegen überliegenden Hohlspiegel vereinigen.
Jede der beiden Elektroden 3 ist finit je einem Pol eines Hochspannungstransformators ver bunden, durch dessen Betrieb an beiden Elek troden Röntgenstrahlen erzeugt werden, die jedoch nur dann von grösserer Intensität sind, wenn die Elektroden aus Metall hohen Atom gewichts (Platin, Wolfram usw.) bestehen. Da aber erfahrungsgemäss mit steigendem Atomgewicht die Neigung zur Kathodenzer- stäubung wächst, würde eine derartige Röhre entweder nur kurze Zeit betrieben werden können, oder die Strahlenausbeute müsste durch die Wahl vors Elektroden aus Metall niedrigen Atomgewichts, z. B. Aluminium, stark herabgesetzt werden.
Infolgedessen ist die in Fig. 1 dargestellte Röhre, bei deren Ausführung auch für eine gute Kühlung bei der Elektroden gesorgt sein muh, nur für gewisse Zwecke verwendbar und zeichnet sich in diesem Falle durch ihre sehr einfache Bauart und Betriebsapparatur aus.
Die Erfindung <B>ist</B> mit grösserem Erfolge an einer Röhre mit reiner Elektronenent ladung durchzuführen, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Hier sind in der auf das äusserste ausgepumpte Glasröhre 4 zwei einander gegenüberliegende Glühdrähte ä aus Metall hohen Atomgewichts vorgesehen, deren Stromzuleitungen 6, 7 an die Heiz- batterien 8 angeschlossen sind. Au die Glüh drähte 5 ist ein Hochspannungs-Wechselstrom- Transformator 9 angelegt.
Während der einen Phase des Betriebes ist der eine Glühdraht 5 Kathode, der andere Antikathode und wäh rend der andern Phase umgekehrt. Von bei der) Glühdrähten gehen daher Röntgen strahlen aus.
Eine praktische beispielsweise Ausfüh- rungsforin einer Glühkathoden-Röntgenröhre zeigt Fig. 3. Hier werden die aus kreisför- inigen Platten aus Wolfram, Tantal oder dergleichen bestehenden Elektroden 10 durch Drähte 11 gehalten, die an einer auf einem Glasrohr 12 der Röhre sitzenden Metallhülse 13 befestigt sind. In den Elektrodenplatten 10 ist je ein Schlitz 14 (Fig. 4) vorgesehen.
Hinter den Schlitzen liegen Glühdrähte 15, deren Halterungs- und Zuleitungsdrähte 16 durch die innere Quetschung 17 des Glas rohres 12 vakuumdicht mit Abstand hindurch geführt sind.
Die Glühdrähte 15 dienen dazu, die Röhre in Betrieb zu setzen. Die von dem einer) Glühdraht ausgehenden Elektronen werden durch den Schlitz 14 auf die gegenüberlie gende Elektrodenplatte 10 geworfen, erzeugen dort Röntgenstrahlen und erwärmen die Platte. Umgekehrt werden in der nächsten Phasen hälfte die von dem andern Glühdraht 15 aus gehenden Elektronen auf die gegenüberlie gende Elektrodenplatte 10 geworfen. Dadurch, dass die Schlitze 1-1 im Winkel zueinander stehen (Fig. 4) oder gegeneinander versetzt sind, wird verhindert, dass die beiden Glüh drähte 15 sich gegenseitig heizen.
Sobald die Elektrodenplatten 10 die erforderliche Temperatur haben, können die Glühdrähte 15 ausgeschaltet werden. Die Aufrechterhaltung der zur Elektronenemission der Platte erforder lichen Temperatur erfolgt dann nur noch durch das gegenseitige Elektronenbombarde- rnent mit Hilfe des die Röhre betreibenden Hochspannungswechselstromes.
Es ist bekannt, dass die Wärmeausstrah lung rnrt steigender Temperatur sehr stark anwächst. Um die auf der Antikathode frei werdende Wärme aus der Röhre wegzu schaffen, ist daher wünschenswert, die Tem peratur der Antikathode möglichst hoch wer den zu lassen. Bei hoher Temperatur ist je doch auch die - Elektronenemission entspre chend dem Richardsonschen Gesetz sehr be deutend. Demnach würde die Stromstärke, die durch das Rohr fliesst, sehr gross werden und, wie die Berechnung zeigt, die betriebs mässig zulässige Grenze bald überschreiten. IHan ist daher genötigt, die Elektrodenflächen grof,') und die Betriebstemperatur verhältnis mässig niedrig zu wählen.
Eine wesentliche Verringerung der Elek- trodenfläche bei gleicher Leistung lässt sich erzielen, wenn man die Elektronenemission künstlich verringert, zum Beispiel dadurch, dass die elektrischen Kraftlinien verhindert werden, an die glühende Fläche zür gelangen. Dadurch wird das elektrische Feld an den glühenden Flächen wesentlich verringert, so dass die Elektronen die aus der Raumladung stammenden (legenkräfte nicht überwinden können und in entsprechendem Masse am Austritt aus der Fläche verhindert werden.
Diese Wirkung kann im Bedarfsfalle noch dadurch gesteigert werden, dass zwischen Drahtnetz und Elektrodenplatten ein elek trisches Peld geschaltet wird, dessen Rich tung eine derartige ist, dass die Elektronen zurückgehalten werden. Durch diese. Mittel lässt sich jede gewünschte Verminderung der Elektronenemission erreichen. Die von der andern Elektrode kommenden Elektronen fliessen dabei zum grössten - Teil durch die 11Iaschen des Netzes hindurch, gelangen also auf die zum Aussenden von Röntgenstrahlen bestimmte Platte, ohne das Netz ins Glühen zu bringen.
Die Wirkung kann dadurch verstärkt werden, dass den Elektrodenplatten, wie in Fig. ä und 6 dargestellt ist, die Form eines nach zwei Seiten offenen Rahmens gegeben wird, der aus dem die eigentliche Elektroden platte bildenden Boden 18 und den Seiten teilen 19 besteht, zwischen denen das ab schirmende Drahtnetz 20 ausgespannt ist. Da die vorspringenden Seitenteile 19 die grösste Menge der Kraftlinien auf sich vereinigen, ist durch diese Anordnung eine Verminde rung der Feldstärke an den Elektrodenplatten 18 erreicht. Die Drahtnetze 20 können daher verhältnismässig weitmaschig sein, ohne an Wirksamkeit zu verlieren.
Durch Schrägstellung der die Röntgen strahlen aussendenden Elektrodenplatten 10 bezw. 18 wird ermöglicht, einen verhältnis mässig grossen Strahlenkegel zu erhalten.
Röntgenröhren der beschriebenen Art für Wechselstrombetrieb mit Glühelektroden, die sich mit Hilfe des die Röhre betreibenden Wechselstromes gegenseitig durchElektronen- aufprall auf Elektrodenemissionstemperatur heizen, bedürfen besonderer Einrichtungen, um in stabilem Zustande gehalten zu wer den. Die gegenseitige Beschiessung der Drähte mit Elektronen bedingt eine wesentliche Energiezufuhr.
Deshalb muss die au die Glüh drähte (5 in Fig. 2, 15 in Fig. 3) angeschlos sene Heizbatterie, sobald det Röntgenbetrieb- strom einsetzt, abgeschaltet oder der Heiz strom wenigstens durch Widerstände ge schwächt werden. Die Einrichtung bleibt aber trotzdem noch unstabil. Die an den Elektro den frei werdende elektrische Leistung wird nämlich nicht in jedem Falle in vollem Um fange von den Elektroden durch Strahlung abgeführt.
Wenn zum Beispiel die Anfangs temperatur der Elektroden so gross ist, dass bereits eine gewisse Elektronenemission i vorhanden ist, und die Elektroden an dem einen Pol eines unmittelbar ans Netz ge- legten Transformators (effektive Spannung dauernd gleich Eo) liegen, so ist nur dann Gleichgewicht zwischen Strahlung Q und der durch Elektronenaufprall frei gemachten Energie vorhanden, wenn
EMI0004.0003
i sowohl wie Q sind Funktionen der Tem peratur T, und zwar ist
EMI0004.0006
Hierin sind a, r?, a, <I>b</I> Materialkonstanten,
P ist die Basis des natürlichen Logarithmen systems. Q und<I>i</I> sind auf einen cm bezogen.
nimmt nun mit steigender Temperatur sehr viel weniger zu als i. Daraus folgt, dass bei konstant bleibender Spannung Eo die An ordnung nicht stabil sein kann. Jede Tem peraturerhöhung hat zum Beispiel eine erheb liche Stromzunahme zur Folge. Da so kon stant gehalten wird, nimmt daher auch die Leistung zu, die an den Elektroden in Wärme umgesetzt wird. Dieser Zunahme der - Lei stung steht aber eine geringere Zunahme der Ausstrahlung der Elektroden gegenüber. Der Lberschuss der zugeführten Leistung über die Strahlung muss daher die Elektroden erwär men, steigert ihre Elektronenemission und damit die Leistung abermals.
Infolgedessen muss in kürzester Zeit Zerstörung der Elek troden durch Abschmelzen eintreten.
Umgekehrt muss eine TemperatLirerrriedri- ung zu schneller Abnahme der Temperatur und damit zur völligen St romlosigkeit der Röhre führen.
Das Kriterium für die stabile Anordnung ist, graphisch dargestellt, dass die Kurve, die die Strahlung als Funktion der Temperatur darstellt, steiler verläuft als die Kurve, die die an den Elektroden frei werdende Lei stung als Funktion der Temperatur darstellt. Ist diese Bedingung erfüllt, so übertrifft bei jeder Temperatursteigerung über den Gleich gewichtspunkt hinaus die Ausstrahlung die zugeführte Leistung. Die Elektroden kühlen sich daher ab, d. h. die Temperatursteigerung geht zurück.
Umgekehrt übertrifft bei einer eintretenden Temperaturverringerung die zu- geführte Leistung die Strahlung, es findet also wieder eine gesteigerte Erwärmung der Elektroden statt.
Analytisch ausgedrückt lautet die Stabili tätsbedingung
EMI0004.0029
Diese Bedingung ist erfüllbar, wenn vor die Röhre ein Widerstand geschaltet wird. Ist seine Grösse R, so ist der in ihm ein tretende Spannungsverlust R i. Die Spannung des Strom liefernden Generators sei konstant gleich Eo. Die an den Elektroden liegende Spannung wird daher E=Eo-Ri demnach gilt
EMI0004.0034
und die Stabilitätsbedingung wird
EMI0004.0035
Daraus folgt, wenn durch
EMI0004.0036
dividiert wird
EMI0004.0037
Das erste. Glied dieser Ungleichung lässt sich aus den oben genannten Beziehungen für Q und<I>i</I> ausrechnen.
Das Einsetzen der Zahlenwerte ergibt, dass der Wert des Bruches zwischen Null und einigen Hunderten liegt. Da Zähler und Nenner beide positiv sind, ist er unter allen Umständen positiv, er kann daher gegen Eo vernachlässigt werden. Die Ungleichung wird dadurch höchstens verstärkt.
Es folgt daher als ausreichende Bedingung für die Stabilität
EMI0004.0040
d. h. es .ist ausreichend, vor die Röhre einen Widerstand zu schalten, dessen Spannungs abfall bei der gewünschten Betriebsstrom stärke grösser ist als die Hälfte der Genera- torspannung. In der Praxis wird der Widerstand zweck mässig nicht auf der Hochspannungsseite, sondern auf der Primärseite des die Röhre betreibenden Transformators angeordnet. Es ist leicht ersichtlich, dass ein Widerstand vor dem Primärkreise in bezug auf stabilisierende Wirkung einem im Sekundärkreise vor die Röhre geschalteten Widerstand gleichwertig ist.
Dementsprechend besteht die Einrichtung zum Betriebe derartiger Röhren erfindungs gemäss darin, dass entweder vor die Röhre in den Hochspannungskreis oder vor die Pri märspule des die Röhre betreibenden Trans formators ein Stabilisierungswiderstand ge schaltet wird, der einen Spannungsabfall von solcher Grösse bewirkt, dass die oben ge nannte Ungleichung
EMI0005.0003
erfüllt ist.
Bei der in Fig. 7_ dargestellten Schaltung einer Glühkathoden-Röntgenröhre liegt der Stabilisierungswiderstand auf der Primärseite. a ist das Glasgefäss der Röntgenröhre, b sind die beiden einander gegenüberliegenden, in Glut versetzbaren Elektrodenplatten. Beide Platten sind unmittelbar mit den Enden der Sekundärspule c verbunden. Die Primärspule d ist über den Widerstand e an den Wechsel stromgenerator f angeschaltet.
Eine Steigerung der Röhrenspannung er folgt zunächst dadurch, dass der Widerstand e verkleinert wird, jedoch darf diese Ver kleinerung - entsprechend den obigen theo retischen Ausführungen - nicht unter eine gewisse Grenze gehen. Ist diese Grenze er reicht, so muss eine weitere Vergrösserung der Röhrenspannung durch Steigerung der Spannung des Generators f' unter gleich zeitiger Vergrösserung des Widerstandes e er folgen, und zwar muss diese Vergrösserung stets derart erfolgen, dass die Stabilitäts bedingung nach wie vor erfüllt bleibt.
Der Widerstand e braucht kein Ohmscher, sondern kann auch ein induktiver Widerstand sein. An Stelle des Generators f kann vor teilhaft ein Transformator treten, dessen Fri- märseite an einem Wechselstromgenerator oder an dem Netz liegt, und dessen Über setzungsverhältnis regelbar ist.
Die Regelung des Generators f oder des an seine Stelle tretenden Transformators und die des Widerstandes e erfolgt zweckmässig so, dass die Schaltvorrichtungen zwangsläufig miteinander verbunden "sind, und es unmög lich ist, eine Spannungserhöhung vorzuneh men,. ohne gleichzeitig den Widerstand ent sprechend der Stabilitätsbedingung zu erhöhen.
Besondere Massnahmen sind vorzusehen, wenn die oben beschriebenen, in Fig. 3 dar gestellten Röhren benutzt werden, deren Elektroden durch Elektronenaufprall vonHilfs- elektronenquellen aus angeheizt werden müs sen, um überhaupt leitfähig zu werden. Zwi schen den Elektroden liegt in diesem Falle unter Umständen, nämlich solange die erfor derliche Glut noch nicht erreicht ist, eine sehr viel höhere Spannung als nachher beim Betrieb. Das würde die Isolation der Röhre und des sie betreibenden Transformators ge fährden.
Diese Schwierigkeit wird nach der Erfindung dadurch beseitigt, dass zu Beginn des Betriebes, solange die Elektroden noch angeheizt werden, der stabilisierende Vor schaltwiderstand ganz oder zum Teil abge schaltet, und die Generatorspannung vermin dert wird, während seine -Einschaltung erst erfolgt, wenn die Elektroden beginnen Elek tronen in hinreichendem Masse auszusenden.