DE1074769B

DE1074769B - Röntgenröhre mit elektrostatischer Fokussierung

Info

Publication number: DE1074769B
Application number: DENDAT1074769D
Authority: DE
Inventors: Paris und Alexandre Rimsky Meudon Seine-et-Oise Zivko Mihailovic (Frankreich)
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1954-06-01
Publication date: 1960-02-04
Also published as: US2958799A; FR1109805A; GB810121A; BE538316A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre insbesondere für Röntgenkristallographie, welche eine elektrostatische Fokussierung unter Formung eines Bildes des Glühfadens auf der Antikathode und mit Entnahme der hierfür erforderlichen Spannungen aus einem ohmschen Spannungsteiler aufweist.

Bei den bekannten Ausführungen von Röntgenröhren dieser Art bilden zwei gleichachsige leitende elektrisch isolierte, mit zunehmendem Durchmesser und Potential längs der Bahn der vom Glühfaden ausgehenden Elektronen angeordnete Zylinder das elektrostatische Fokkusierungssystem, und der Glühfaden ist durch eine formveränderliche Membrane axial in bezug auf dieses' asymmetrische elektronenoptische System verschiebbar. Dabei umschließt der eine Zylinder nur mit einer Verlängerung und lediglich auf eine kurze Strecke sowie unmittelbar an der Kathode selbst die Elektronehbahn, so daß er die für die Wirkungsweise der Röhre ungünstige Elektronenzerstreuung nicht hindern kann, und auch der andere Zylinder weist diesen Mangel auf Grund' seiner Anordnung in der Elektronenbahn auf. Bei einer in dieser Weise ausgestalteten Röntgenröhre kann, obwohl sie sehr gut fokussiert ist, ein Röhrenstrom von 1 Milliampere nicht überschritten, werden, und sie liefert in der Radiokristallographie richtige Angaben unter 0,5 Milliampere und mit 30 kV bei getrennter Regelung der Potentiale der Zylinder des elektronenoptischen Systems.

Nach der Erfindung wird nun bei einer Röntgenröhre mit elektrostatischer Fokussierung und mit Formung eines Glühfadenbildes auf der Antikathode sowie mit Entnahme der hierfür notwendigen Spannungen aus einem ohmschen Spannungsteiler eine vielfache Steigerung der Röhrenleistung durch die Vereinigung folgender Maßnahmen erreicht:

a) Von zwei oder mehr asymmetrischen, elektronenoptischen Systemen, die in bekannter Weise in der Form von gleichachsigen leitenden elektrisch isolierten Zylindern mit zunehmendem Durchmesser und Potential längs der Bahn der vom Glühfaden ausgehenden Elektronen angeordnet sind, folgt der kleinere Zylinder mit Abstand auf den Glühfaden und der weiterhin sich anschließende größere Zylinder geht in das ihm gegenüber etwas verengte, den anodenseitigen Teil der Röhrenwandung bildende wassergekühlte Rohr über, das von den Elektronen durchlaufen wird und die Antikathode trägt;

b) ein in bekannter Weise in der Art eines elekironischen Spiegels wirkendes Steuergitter ist in dem Raum zwischen dem Glühfaden und dem kleineren leitenden Zylinder vorgesehen;

c) der axiale Abstand des Glühfadens und/oder des

Röntgenröhre mit elektrostatischer
Fokussierung

Anmelder:

Centre National

de la Recherche Scientifique,

Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. C. elemente, Patentanwalt,
Deggendorf, Krankenhausstr. 26

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 1. Juni 1954

Zivko Mihailovic, Paris,
und Alexandre Rimsky, Meudon, Seine-et-Oise

(Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

Steuergitters von dem kleineren Zylinder ist durch eine metallplastische, von außen formveränderbare Membrane veränderbar.

Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Röntgenröhre wird eine Zerstreuung der Elektronen auf ihrem Weg von der Kathode nach der Antikathode praktisch vollständig durch die kanalartige Führung in den mit wachsendem Durchmesser und Potentialen aufeinanderfolgenden elektronenoptischen Zylindern verhindert und eine weitgehende Verkürzung der Belichtungszeit sowie eine durch Verminderung der Tonenkonzentration bedingte Verlängerung der Glühfadenbenutzungsdauer erreicht. Mit dem Einbau eines Steuergitters in diese Röntgenröhre wird insofern eine besondere Wirkung erzielt, als das Gitter wie ein Konkav gewölbter elektronischer Spiegel mit dem elektronenoptischen System der verschieden großen Zylinder bei gleichzeitiger Verschiebbarkeit des Glühfadens durch die form veränderliche Membran zur Erzeugung und Einstellung des Glühfadenbildes vorteilhaft zusammenarbeitet.

Die Röntgenröhre nach der Erfindung kann, wie die Praxis gezeigt hat, laufend mit 100 kV und 8 Milliampere und ohne jede besondere Regelung mit 390 kV und 3 Milliampere arbeiten, was gegenüber der eingangs geschilderten bekannten Röntgenröhrenausführung eine sechsfache Leistungssteigerung bedeutet. Die Röhre nach der Erfindung weist eine viel

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längere Strecke für die Elektronenführung auf, was Hilfe einer einen Dichtungsring enthaltenden Ringfür die Röntgenkristallographie wichtig ist, bei der nut verbunden ist.

man über ein Emissionsspektrum ohne störende, Der Hauptkörper der Röntgenröhre besteht aus durch Wolframniederschlag verursachte Strahlen ver- einem zylindrischen Rohr 26, das die zweite Linse fügen muß. Ferner kann das endgültige Bild des. 5 darstellt, sowie aus der Antikathdoe, die durch einen Glühfadens in ziemlich weiter Entfernung von dem Block 27 aus einem Metall mit guter Wärmeleitpptischen System und damit auch von dem Glühfaden fähigkeit, z. B. aus Kupfer oder Silber gebildet und erhalten werden, wodurch es möglich wird, ein oder ihrem Träger 28 in der Form angepaßt ist. Die Gezwei einander gegenüberliegende Fenster in einem samtheit dieser Teile ist genau bearbeitet, um eine Abstand von etwa 10 mm von dem Fokus vorzusehen io unbedingt sichere Abdichtung des Inneren der und zwei gleichachsig zueinander angeordnete Röhren Röntgenröhre zu erzielen, in welchem ein Hochmit dem gleichen Glühfaden zu speisen. Auch können vakuum hergestellt wird. In der Höhe der Antiin der Röntgenröhre nach der Erfindung, da das kathode 27 sind Fenster 29 in dem Röhrenkörper ausPotential längs der Röhrenachse zunimmt und jede gespart, der außerdem mit einem zur Evakuierung Hohlraumbildung vermieden ist, keine elektrischen 15 dienenden Rohrstutzen 33 α versehen ist. Die Küh-Schwingungen auftreten und es ist in ihr auch an lung der Antikathode 27 und des Röhrenkörpers 26 keiner Stelle eine Überspannung möglich. Sie zeigt erfolgt durch einen Kaltwasserumlauf, bei dem das vielmehr ein vollkommen einwandfreies Verhalten in Wasser dem unteren Ende 30 der Röntgenröhre zudem Fall einer auf ein ungenügendes Vakuum zurück- geführt und durch die Röhre 32 nach dem den Körper zuführenden Entladung. Will man mit sehr hohen 20 der Röngtenröhre umgebenden zylindrischen Hohl-Potentialen arbeiten, so braucht man nur die Zahl der raum 31 geleitet wird und aus diesem durch den Zylinder durch Aufeinanderanordnung von gleichen Rohrstutzen 33 abfließt. Der den Hohlraum 31 ein-Röhrenbestandteilen vervielfachen. schließende Mantel und damit die Röntgenröhre ist

Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise zwei durch eine Leitung 32 geerdet.

Ausführungsformen der Röntgenröhre nach der Er- 25 Der in den Fig. 2 und 3 veranschaulichte Strahlen-

findüng. verlauf läßt erkennen, welche Aufgabe das Steuer-

Fig. 1 zeigt die Röhre im Achsschnitt, und gitter 17 bei der Röhre nach Fig. 1 zu erfüllen hat.

Fig. 2 und 3 lassen im Strahlenbild die optische Gemäß Fig. 2 und 3 soll das Steuergitter G, das dem

Wirkungsweise der Röhre nach Fig. 1 erkennen; Gitter 17 der Fig. 1 entspricht, in der Art eines

Fig. 4 gibt im Achsschnitt die Ausbildung zweier 30 elektronischen Spiegels mit konkaver Wölbung wir-

durch einen gemeinsamen Glühfaden gekoppelter ken, der auf Grund seiner Anordnung von dem

Röntgenröhren nach der Erfindung wieder. Glühfaden AB ein. verkleinertes, aufrecht stehendes

Die aus Fig. 1 ersichtliche Röntgenröhre weist eine Bild A'B' unter Einhaltung eines Größenverhältnisses zylindrische Metallkappe 1 mit einer Ringnut 2 auf, m = + (A'B' : AB) kleiner als 1 liefert. Dieses Erin welche eine Muffe 3 aus Steatit unter Zwischen- 35 gebnis ist dadurch bedingt, daß das Gitter negativ fügung eines Dichtungsringes 4 eingreift. An das von gegenüber dem Glühfaden AB ist und daher die der Muffe3 abgewendete Ende5 der Metallkappe! Äquipotentialflächen in die öffnung des Gitters (vgl. ist das eine Ende einer metallplastischen Membrane 6 Fig. 3) an den Stellen α und b eintreten,
angeschweißt, welche am anderen Ende 7 mit einer Das Bild A'B' wirkt als Objekt für das System Abschlußscheibe 8 verschweißt ist. Die Scheibe 8 ist 40 der beiden Linsen L₁ und L₂ der Fig. 2 und 3, welche von zwei isolierenden, aus Glas und Metall bestehen- den Linsen 22 und 26 der Fig. 1 entsprechen. Die den Drahtdurchführungen 10 und 11 durchsetzt, Vergrößerung kann verschiedene Werte je nach der welche in die beiden, den Glühfaden 13 haltenden Lage des Glühfadens AB gegenüber dem Gitter 17 leitenden Stäbe 12 übergehen. Mehrere an der Metall- und je nach dem an den Glühfaden 13 gelegten posikappe 1 vorgesehene Winkel 14 erfassen einen Ring 45 tiven Potential annehmen. Vorzugsweise gibt man 15, der am unteren Ende einer Hülse 16 befestigt ist, der Vergrößerung sehr kleine Werte, so daß das die an ihrem oberen Ende mit Innengewinde auf das Linsensystem L₁, L₂ von dem Objekt A'B' ein Bild Außengewinde am verdickten Ringrand9 derScheibe8 A"B" ergibt, das zwar vergrößert, aber kleiner als aufgeschraubt ist. AB ist, wodurch es möglich wird, einen feinen Fokus

Wenn man den Ring 15 dreht, bewirkt man auch 50 zu erzielen. Für die Untersuchung der elektronischen

die Drehung der Hülse 16 und kann so unter Vakuum Beugung muß man die zu prüfende Substanz beispiels-

mit Hilfe der metallplastischen Membrane 6 die Lage weise an der Stelle A'B' anordnen,

des Glühfadens 13 längs der Achse X-X' der Röntgen- Die optischen Kennzeichen des durch das Gitter G

röhre gegenüber dem Steuergitter 17 regeln. Das gebildeten konkaven Spiegels verändern sich in Ab-

Steuergitter 17 ist beispielsweise durch eine Nickel- 55 hängigkeit von der Lage des Glühfadens AB und von

folie gebildet, welche abgerundete Ränder und in der der an diesen angelegten positiven Spannung gegen-

Mitte eine Öffnung für den Durchgang des Glüh- über dem Steuergitter G. Je nach dem Einzelfall ver-

fadens 13 aufweist und an der Metallkappe 1 mit Hilfe ändert man den einen oder den anderen oder jeden

von starren Metallstäben 18 befestigt ist. Ein dieser beiden Faktoren, und vergrößert auf diese

Glimmerblatt 19 schützt die Metallkappe 1 gegen die 60 Weise die Anpassungsfähigkeit der Vorrichtung an

infrarote Strahlung des Glühfadens 13. Die Steatit- die bei ihrer jeweiligen Benutzung zu berücksichti-

muffe 3 greift in die umlaufende Nut 20 eines Metall- genden Verhältnisse.

ringes 51, in die ein Dichtungsring 20' eingelegt ist. Bei einer normal verwendbaren Ausführung der

Der Metallring 51 weist einen inneren Schulterteil Röntgenröhre nach der Erfindung kann man den

21 auf, an dem der Hohlzylinder 22 befestigt ist, der 65 Durchmesser des kleineren Zylinders 22 zu D₁- 20mm

die erste elektrostatische Linse bildet. Mit einer und den Durchmesser des größeren Zylinders 26 zu

zweiten Ringnut 24 des Metallringes 51, in der ein .D₂ = 30 mm, d. h. das Verhältnis D₂ : D₁ = 1,5 sowie

Dichtungsring 23' sitzt, steht eine Steatitmuffe 23 im ferner das Verhältnis der zugehörigen Potentiale zu

Eingriff, die mit der Muffe 25 des Körpers 26 des V₂ : V₁ = 8,5 annehmen. Wenn man in Fig. 2 mit F₁

eigentlichen Röntgenstrahlenerzeugers ebenfalls mit 70 und F₂ die beiden Brennpunkte für das Bild bzw. das

Objekt und mit I₁ und f₂ die den HauptebenenH₁ und H₂ von Bild und Objekt entsprechenden Brennweiten bezeichnet und wenn man als positiv die allgemeine Richtung der Wanderung der Elektronen von dem Glühfaden nach der Antikathode wählt, ergeben sich die folgenden in Fig. 2 wiedergegebenen Haupt merkmale der Vorrichtung:

Hauptbrennpunkt F₁= — 2 D₁ für das Bild,

^₁= + 0,8D₁ für Brennpunktbild von Brennpunkt^ aus.
Hauptbrennpunkt F₂ = + 1,7D₁ für Objekt,

f_s= — 3,4D₁ für Objektbrennpunkt von Brennpunkt F₂ aus.

Die Vergrößerung ist sehr wenig von —3 verschieden.

Die Bemessung des Fokus hängt wesentlich von der Form des Glühfadens ab. Man kann Fokusse in der Größenordnung von 1/10 mm bis 20 mm erhalten, je nachdem der Glühdraht eine heiße Spitze oder ein linearer Faden von 10 mm Länge ist und je nachdem man auf die Polarisation des Steuergitters und dessen Lage gegenüber dem Glühfaden einwirkt. Mit einem Fokus von beispielsweise 0,2 bis 0,3 mm liefert die Röntgenröhre nach der Erfindung bei einer Gleichspannung von 50 kV und einem Strom von 8 Milliampere sowie einem Einfallswinkel von 6° mittels eines Kollimators von 0,3 mm Öffnung und einer Molybdän-Antikathode die folgenden Ergebnisse:

1. Laue-Verfahren

Glimmer (Spaltung). Dicke 0,3 mm: Klischee in 8 bis 10 Minuten.

Curie-Quarz (geschliffen). Dicke 1,5 mm: Klischee in 15 Minuten.

Gips (Spaltung). Dicke 0,4 mm: Klischee in 15 Minuten. Abstand Kristall—Häutchen 40 mm.

2. Drehender Kristall:

Bei einem Blondekristall und bei einer mit 240 mm Umfangsgeschwindigkeit umlaufenden Kristallkammer sind die Belichtungszeiten für die charakteristische Linie K des Molybdäns:
normale, gasdicht abgeschlossene Röhre, Zirkonfilter: Belichtungszeit 3 Stunden, Röhre mit elektronischer Fokussierung nach der Erfindung, Zirkonfilter: Belichtungszeit 30 Minuten.

Bei dem in Fig. 4 veranschaulichten Röntgenstrahlenerzeuger mit zwei einen gemeinsamen Glühfaden aufweisenden. Röhren ist die Röntgenröhre nach Fig. 1 noch durch die für die Doppelanordnung erforderlichen besonderen Bestandteile ergänzt. Gemäß Fig. 4 ist ein Zylinder 34 vorgesehen, welcher die Klemmen 35 für die Stromzuführung und die Klemmen 36 für die Stromabführung der Glühfadenheizung mit Hilfe von geeigneten aus Metall- und Glas bestehenden Isolierkörpern 37 trägt. Die Glühfäden 38 sind unverschiebbar angeordnet und das Steuergitter 17 allein ist bewegbar. Ein Zylinder 39 weist einen Gewindeteil 40 auf, in welchen ein ebenfalls, mit Gewinde versehener Ring 41 eingeschraubt ist. An die beiden Seiten des Ringes 41 sind die einen Enden 42 und 43 zweier metallplastischer Membranen und 45 angeschweißt, von denen die Membran 44 an ihrem anderen Ende 46 mit einem Ring 57 verschweißt ist, der mit dem Zylinder 34 verbunden ist, während die Membran 45 an ihrem anderen Ende mit der Kappe 1 der Röntgenröhre verschweißt ist.

Von dem Ring 41 gehen die Stäbe 18 aus, welche das Steuergitter 17 tragen, und die Zylinder 34 und sind miteinander durch Klauen 48 verbunden. Die beiden gemäß Fig. 4 zu einer Doppelanordnung mit gemeinsamem Glühfaden vereinigten Röntgenröhren sind im übrigen wie nach Fig. 1 ausgebildet und in ihrer Ausführung einander gleich. Der Abstand zwischen Glühfaden und Gitter wird durch Einwirkung" auf die Ringe 15 geregelt, welche die Drehung der Zylinder 39 und damit die Verschiebung des Ringes ermöglichen. Durch die elektrischen Anschlüsse 49 und 50 kann die Doppelröhre unter Spannung gesetzt werden, während der Röhrenkörper über die Leitungen 52 an Masse liegt.

Claims

Patentanspruch:

Röntgenröhre mit elektrostatischer Fokussierung unter Formung eines Bildes des Glühfadens auf der Antikathode und mit Entnahme der hierfür erforderlichen Spannungen aus einem ohmschen Spannungsteiler, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) daß von zwei oder mehr asymmetrischen, elektronenoptischen Systemen, die in bekannter Weise in der Form von gleichachsigen leitenden, elektrisch isolierten Zylindern (22, 26) mit zunehmendem Durchmesser und Potential längs der Bahn der vom Glühfaden ausgehenden Elektronen angeordnet sind, der kleinere Zylinder (22) mit Abstand auf den Glühfaden (13) folgt und der weiterhin sich anschließende größere Zylinder (26) in das ihm gegenüber etwas verengte, den anodenseitigen Teil der Röhrenwandung bildende, wassergekühlte Rohr (31) übergeht, das von den Elektronen durchlaufen wird und am Ende die Antikathode (27) trägt,

b) daß ein in bekannter Weise in der Art eines elektronischen Spiegels wirkendes Steuergitter (17) in dem Raum zwischen dem Glühfaden (13) und dem kleineren leitenden Zylinder (22) vorgesehen ist,

c) daß der axiale Abstand des Glühfadens. (13) und/oder des Steuergitters (17) von dem kleineren Zylinder (22) durch eine metallplastische, von außen formveränderbare Membran (6) veränderbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 863 534, 898 338,
293;

schweizerische Patentschrift Nr. 282 525;

französische Patentschrift Nr. 1 050 136;

britische Patentschrift Nr. 703 387;

Vilbig: Lehrbuch der Hochfreauenztechnik, Bd. II, 1944, S. 478.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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