DE1064649B

DE1064649B - Membrananodenroentgenroehre

Info

Publication number: DE1064649B
Application number: DEL24545A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Ernst-Guente Hofmann; Dr Phil Heinz Maier-Leibnitz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1956-04-07
Filing date: 1956-04-07
Publication date: 1959-09-03
Also published as: CH351680A

Description

DEUTSCHES

Es sind bereits Röntgenröhren bekannt, bei denen die Anoden aus einer dünnen Membran bestehen, durch die die Röntgenstrahlen nach außen austreten und die durch ein Kühlmittel in geeigneter Weise gekühlt werden. Zwecks Erhöhung der Röntgenstrahlausbeute, die proportional der Ordnungszahl der Bremssubstanz ist, wird die Membran auf der Vakuuminnenseite im allgemeinen mit einer dünnen Schicht eines Schwermetalls, z. B. Gold, überzogen. Durch Abbremsung der von der Kathode herkomimenden Elektronen in dieser Schicht entstehen Röntgenstrahlen, die mehr oder weniger in den gesamten Raumwinkelbereich gestrahlt werden. Die räumliche Intensitätsverteilung der erzeugten Strahlung ist bei unendlich dünner Membrananode von der Beschleunigungsspannung der Elektronen abhängig. Ist δ der Winkel zwischen der Beschleunigungsrichtung der Elektronen und dem Radiusvektor vom Entstehungspunkt der Röntgenstrahlen zu einem Raumpunkt, so wird mit zunehmender Spannung Röntgenstrahlenenergie in zunehmendem Maße in den in Beschleunigungsrichtung der

Elektronen liegenden Halbraum mit δ ^ -^- gesandt.

Je höher die Elektronengeschwindigkeit wird, um so mehr liegt das Intensitätsmaximum der Röntgenstrahlung bei (5 = 0° (Sommerfeldsche Theorie).

Bei den herkömmlichen Spannungen (100 bis 200 kV) ist dieser Effekt zwar schon deutlich vorhanden, doch wird hier noch ein großer Teil der erzeugten Röntgenstrahlenenergie als sogenannte Reflexionsstrahlung (bei senkrecht zu der Elektronenrichtung angeordneten Membrananoden, z. B. in dem Halbraum, mit — ^ δ <Ξ π) gesandt. Die räumliche Verteilung der nutzbaren Röntgenstrahlung ist darüber hinaus noch von den Absorptionsverhältnissen in der Anodenmembran und dem Kühlsystem abhängig.

Bei den Membrananodenröntgenröhren üblicher Bauart ist die Anode an einem Ende der Röhre angebracht. Es werden nur Strahlen ausgenutzt, die durch die Membrananode direkt nach außen hin austreten. Die ins Innere der Röhre gerichtete Reflexionsstrahlung wird vom Röhrenaufbau und Gehäuse absorbiert und geht somit als Nutzstrahlung verloren.

Es ist bereits bekannt, eine Therapieröhre zur Bestrahlung enger Körperhöhlen derart auszubilden, daß die Membrananode zylindrisch ausgebildet ist, und in deren Achse einen Kathodenfaden anzuordnen, so* daß sowohl die durchtretenden als auch die reflektierten Strahlen nach außen gelangen.

Bei Hochstromröntgenröhren zur Strahlensterilisation, bei denen im Gegensatz zu Therapieröhren an der Anode sehr hohe Temperaturen auftreten, ist jedoch unbedingt eine Flüssigkeitskühlung erforderlich. Ein Membranano denr öntgenröhr e

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs - G. m. b. H., Hamburg 36, Hohe Bleichen 22

Dipl.-Phys. Ernst-Günter Hofmann, Berlin-Wannsee,

und Dr. phil. Heinz Maier-Leibnitz, München,

sind als Erfinder genannt worden

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koaxial um die Röhre gelegter zylindrischer Kühlmantel würde aber, bedingt durch die große Oberfläche, nicht alle an der Anodenoberfläche entstehenden Dampfblasen vermeiden bzw. fortschaffen, so daß an einzelnen Stellen der Anode Durchbrennungen stattfinden. Ferner müßte die Anodenmembran relativ dick sein, um durch den hohen Wasserdruck ein Eindrücken der großflächigen Membran zu verhindern. Eine relativ dicke Membran hat jedoch wieder den Nachteil, daß sie einen größeren Teil der Röntgenstrahlen absorbiert als eine dünne Membran und daß die Wärme schlechter vom Inneren der M'embran abgeleitet wird. Um diesen Nachteil zu. vermeiden, ist eine Membrananodenröntgenröhre zur Bestrahlung von organischen und anorganischen Objekten, die aus einer zylindrischen Membrananode und einem oder mehreren innerhalb der Röhre symmetrisch angeordneten; Kathodenheizfäden besteht, erfmdungsgemäß von mehreren auf dem Umfang aneinandergereihten, sich parallel zur Röhrenachse erstreckenden Kühlkanal en umgeben, deren innere Wandung die Membrananode ist.

An Hand der Zeichnungen, die zum Teil in schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, sei der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 soll zunächst das Prinzip der Erfindung an

einer zylindrischen Membrananode veranschaulichen.

Der äußere Zylinder 1 ist als Membrananode ausgebildet. Um die Absorption nicht zu groß zu machen, wird eine dünne Membran (Dicke etwa 0,5 mm) aus für Röntgenstrahlen der betreffenden Härte wenig ab_T sortierendem Material, z. B. Kupfer, Nickel oder Stahl, verwendet, die mit einem dünnen Belag 2 eines Schwermetalls, z. B. Gold, überzogen ist. Die Dicke des Belages darf nur wenige μ betragen. Innerhalb des Anodenzylinders ist die Kathode angeordnet, die hier beispielsweise aus parallel zur Zylinderachse liegenden Heizfäden 3 aus Wolfram besteht. Von den Heizfäden

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werden Elektronen vornehmlich zur Membran hin emittiert.

Da die Röntgenröhren nach der Erfindung zur Bestrahlung von organischen und anorganischen Substanzen sowie biologischen Objekten u. a., z. B. zur Strahlensterilisierung, vorgesehen sind, wird eine große Leistung benötigt, so daß eine gute Kühlung der Membran erforderlich ist. Um die Röhren 1 sind Kühlkanäle 6 vorgesehen, die durch die Wandung 7 abgeschlossen sind. Eine möglichst 'geringe Absorption der Röntgenstrahlen erhält man, wenn diese Wandung aus einem Material mit geringer Ordnungszahl, z. B. Aluminium oder Plexiglas, gebaut wird.

Die Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäßen Ausbildungsformen für Kühlkanäle an einer zylindrischen Membrananodenröntgenröhre, durch die eine gute Kühlung und eine geringe Absorption erreicht werden. Nach Fig. 2 a sind die äußere Wand der einzelnen Kühlkanäle 7, nach Fig. 2 b die zylindrische Anodenmembran 1 und nach Fig. 2 c sowohl die Anodenmembran 1 als auch die äußere Wandung 7 an den einzelnen Kühlkanälen wellenförmig so ausgebildet, daß sich linienförmige Kühlkanäle ergeben. Eine gute mechanische Stabilität der Membran wird so erzielt. Gegenüber der breitesten Stelle der einzelnen Kühlkanäle ist je ein Heizfaden parallel zur Röhrenachse angeordnet. Es wird damit, insbesondere bei den Ausführungen nach Fig. 2 b und 2 c, erreicht, daß die Mitte der Kühlkanäle thermisch stärker belastet wird als die schlechter gekühlten Stoßstellen der Membran und Kühlmittelwandung, womit eine thermische Überlastung und ein Durchbrennen der Membran verhindert werden.

Als Kühlflüssigkeit verwendet man vorteilhaft destilliertes Wasser, das mittels einer Umlaufkühlung an der Membran mit hoher Geschwindigkeit als türbulente Strömung vorbeigeführt wird.

Auf diese Weise ist es möglich, die Anode spezifisch so hoch zu belasten, daß die Membran im Gleichgewichtsfall eine Temperatur von 300° C annimmt. Die Kühlung erfolgt dann nach Art der bekannten Siedekühlung. Es ist dabei dann dringend erforderlich, daß die entstehenden Dampfblasen durch die turbulente Strömung möglichst schnell von der Anode entfernt werden. Eine einer Verlustleistung von mindestens 75 W/cm² entsprechende Wärmemenge pro Sekunde kann so von einer großflächigen Membrananode dauernd abgeführt werden.

Nach Fig. 1 ist die zylindrische Membran 1 über die beiden Anglasringe 10 an beiden Seiten mit den Kathodenfüßen 11 verbunden. Der Heizstrom wird über die Durchführungen 12 der Kathodenfüße 11 den parallelgeschalteten Heizfäden 3 zugeführt. Zur Abschirmung der Quetschung der Kathodenfüße sind die Schutzkappen 13 vorgesehen. Sie dienen gleichzeitig als Halterungen für die Heizfäden 3. Um ein Durchbiegen der Heizfäden 3 im Betrieb zu vermeiden, ist eine der Schutzkappen 13 über die Federn 14 mit der betreffenden Durchführung 12 verbunden. Im Vakuumaußenraum sind die Anglasringe 10 mit Rohransätzen 15 leitend verbunden. Die Rohransätze haben den gleichen Außendurchmesser wie die Membrananode 1. Rohransätze und Membrananode bilden somit die innere Wandung des Kühlkanals 6. Die Kathodenfüße werden außerhalb des Vakuumraumes mit einem isolierenden Kühlmittel 16, z. B. öl, umgeben. Das zu bestrahlende Gut wird durch den Kanal 9., der außen durch einen mit Bleiblech geschützten Zylinder 8 begrenzt ist, an der Röhre vorbeigeführt.

Eine derartige Röhre wird vorteilhaft für zu bestrahlendes Schüttgut, z. B. pulverförmige Kunststoffe, Flüssigkeiten, Lebensmittel (Mehl, Getreide, Hülsenfrüchte, Kartoffeln u. dgl.), verwendet werden können. Die Weite des Bestrahlungskanals wind zweckmäßig zur größtmöglichen Ausnutzung der Röntgenstrahlung den Absorptionsverhältnissen im jeweiligen Bestrahlungsgut angepaßt. Durch Misch- oder Rührwerke kann zudem das Bestrahlungsgut beim Passieren der Röhre derart umgewälzt werden, daß jedes Teil die annähernd gleiche Dosis erhält.

Ein anderes Beispiel einer Röhre mit zylindrischer Membrananode gemäß der Erfindung zeigt Fig. 3. Es sind zwei Kathoden, je eine an jedem Ende der Röhre angeordnet. Die Kathodenköpfe 19 sind, vornehmlich halbkugelförmig, derart ausgebildet, daß die in Aussparungen eingesetzten Spiralheizfäden 20 Elektronen auf verschiedene Bereiche der Membran 21 emittieren. Die zugehörigen Elektronenbahnen 22 sind teilweise eingezeichnet. Die Anordnung hat den Vorzug, daß die Heizfäden stabiler montiert werden können und der durchstrahlte Raum im Innern der Röhre frei von Absorbern ist. Zur Erzeugung einer gleichmäßigen Belegung der Membran mit Elektronen ist es unter Umständen vorteilhaft, sie durch elektronenoptische Mittel zu beeinflussen.

Es ist selbstverständlich, daß die Heizfäden wahlweise parallel- oder hintereinandergeschaltet werden können und gegebenenfalls nur an einer Seite in das Gefäß eingeführt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Membrananodenröntgenröhre zur Bestrahlung von organischen und anorganischen Objekten, z. B. zur Strahlensterilisierung, die aus einer zylindrischen Membrananode und einem oder mehreren innerhalb der Röhre symmetrisch angeordneten Kathodenheizfäden besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre von mehreren auf dem Umfang aneinandergereihten, sich parallel zur Röhrenachse erstreckenden Kühlkanälen umgeben ist, deren innere Wandung die Membrananode ist.

2. Membrananodeniröntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrananode kreiszylindrisch und die äußeren Kühlkanalwände¹ so ausgebidet sind, daß sich linsenförmige Kühlkanäle ergeben.

3. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Kühlkanalwände kreiszylindrisch und die Membrananode so ausgebildet sind, daß sich linsenförmige Kühlkanäle ergeben.

4. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den einzelnen Kühlkanälen die Membrananode nach innen und die äußeren Kühlkanalwände nach außen so ausgebuchtet sind, daß sich linsenförmige Kühlkanäle ergeben.

5. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kühlkanalwandung aus dünnem, Röntgenstrahlen wenig absorbierendem Metall, vorzugsweise Aluminium, besteht.

6. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode ein oder mehrere Heizfäden besitzt, die in äquidistantem Abstand zur Membrananode und parallel zur Röhrenachse angeordnet sind.

7. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfäden parallelgeschaltet sind.

8. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur mindestens einseitig federnden Befestigung der Heizfäden vorgesehen sind, derart, daß die bei Temperaturänderungen auftretenden Längenänderungen ausgeglichen und die örtliche Lage der Heizfäden relativ zur Membrananode erhalten bleibt.

9. M'embrananodenröntgenröhre nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß elektronenoptische Mittel vorgesehen sind, die die Elektronen gleichmäßig auf die Membrananode verteilen.

10. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kathoden, je eine an jedem Ende der Röhre, angeordnet sind und daß die vornehmlich halbkugelförmigen Kathodenköpfe derart ausgebildet und mit Aussparungen versehen sind, daß die in die Aussparungen eingesetzten Heizfäden Elektronen auf verschiedene Bereiche der Membrananode emittieren.

11. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Kathodenköpfen befindlichen Aussparungen und die zugehörigen Heizfäden spiralförmig ausgebildet sind.

12. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß je einem Kühlkanal ein Heizfaden zugeordnet ist.

13. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Membrananode als Umlaufkühlung mit destilliertem Wasser erfolgt.

14. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenröhre von einem weiteren Mantel umgeben ist und daß das zu bestrahlende Gut zwischen diesem und dem äußeren Kühlmantel an der Röhre vorbeigeführt wird.

15. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel des Bestrahlungskanals gleichzeitig als Strahlenschutzwand ausgeführt ist und vorzugsweise aus Blei besteht oder außen mit Blei umhüllt ist.

16. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Bestrahlungskanal Misch- und/oder Rührwerke eingebaut sind, die das Bestrahlungsgut beim Passieren der Röhre derart umwälzen, daß nach Durchgang jeder Teil des Bestrahlungsgutes annähernd die gleiche Dosis erhalten hat.

17. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrananode aus dünnem Stahlblech besteht.

18. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 1 bis 5 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Membrananode im Vakuuminnenraum eine dünne, nur wenige μ dicke Schwermetallschicht aufgebracht ist.

19. Membrananodenröntgenröhre nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallschicht aus Gold besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 357 978.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen