DE1149115B - Feinfokus-Roentgenroehre - Google Patents

Description

ENTERNAT.KL. HOIj

DEUTSCHES

PATENTAMT

H39656Vmc/21g

ANMELDETAG: 10. JUNI 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 22. MAI 1963

Die Erfindung betrifft eine Feinfokus-Röntgenröhre mit strichförmigem Brennfleck, der im Betrieb nahezu gleiche Elektronenbelegung auf der gesamten Länge aufweist, während gleichzeitig ein verhältnismäßig kurzer Abstand zwischen Kathode und Anode erzielt wird. Wie nachstehend näher erläutert werden soll, wird dies mittels einer neuartigen Kathodenanordnung erreicht, die in Röntgenröhren mit einem grundsätzlich bekannten Aufbau eingebaut werden kann.

Es sind bereits Röntgenröhren bekannt geworden, die einen Strichfokus an der Anode aufweisen. Bei dieser bekannten Anordnung ist die Kathode in Gestalt eines gewendelten Glühdrahtes in der Öffnung einer zylindrischen Wehneltelektrode angeordnet; die benötigte Fokussierung wird mittels einer Zwischenelektrode erzielt, die mit einer Unterteilung versehen ist, die sich quer zur Röhrenachse zwischen der Kathode und der Anode erstreckt. Diese Unterteilung bildet in ihrem Mittelteil ein tassenförmiges Element, das mit einer Öffnung versehen ist, die vorzugsweise als ein gerader Schlitz parallel zur Kathodenwendel angeordnet ist. In der beschriebenen Ausführung ist die Spannung zwischen der Kathode und der Zwischenelektrode in der Größenordnung von einem Fünftel der Spannung zwischen Kathode und Anode und der Abstand zwischenKathode und der Zwischenelektrode beträgt etwa 4 bis 8 cm entsprechend der Röhrenspannung.

Für gewisse Verwendungszwecke ist es erwünscht, einen wesentlich geringeren Abstand als 4 cm zwischen Kathode und Anode zu haben, um auf diese Weise eine Abkürzung der Entfernung zwischen Anode und dem Ende der Röhre und damit die Anordnung des Röntgenstrahlenaustrittsfensters in größerer Nähe des Endes der Röhre zu ermöglichen. Die Abkürzung des Abstandes zwischen Kathode und Anode auf eine Entfernung von beispielsweise 1 cm erfordert die Fortlassung jeglicher Teile, die ein elektrostatisches Linsensystem bilden, wie es in der bekannten Röntgenröhre der Fall ist.

Diese Verminderung des Abstandes zwischen der Kathode und der Anode kann indessen nach der britischen Patentschrift 701 050 mit einer Feinfokusröhre, die durch Ehrenberg und Spear entwickelt wurde, erzielt werden, die einen scharfen Fokus von etwa 40 Mikron Durchmesser besitzt und die für kristallographische Arbeiten geeignet ist. Diese Röntgenröhre ist sehr wertvoll für Untersuchungen einzelner Kristalle, insbesondere einzelner kleiner Kristalle, und ebenso für Untersuchungen der Brechung von Pulvern, wo feine Proben und kleine Kameras be-Feinfokus-Röntgenröhre

Anmelder: Hilger & Watts Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Cohausz

und Dipl.-Ing. W. Florack, Patentanwälte,

Düsseldorf, Schumannstr. 97

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 11. Juni 1959 (Nr. 20 062)

James Richard Stansfield, London, ist als Erfinder genannt worden

nutzt werden können. Es ergeben sich dabei Bilder mit hoher Rasterfeinheit und kurzer Belichtungszeit.

Bei vielen Röntgenröhren einschließlich der obengenannten begrenzt die an der Anode durch den Elektronenbeschuß über den Bereich des Fokus entwikkelte Hitze die Betriebsenergie. Man kann die Energie erhöhen, indem man die Anode kühlt, wobei man dann pro Flächeneinheit des Fokus bei einem kleinen Fokus höhere Energie anwenden kann als für einen großen Fokus. Dies ist der Grund, weshalb die obengenannte Röntgenröhre von Ehrenberg und Spear zufriedenstellend arbeitet.

Für den Fall, daß ein großer Fokus nicht hinderlich und eine höhere Gesamtenergie wünschenswert ist, ist eine Röhre mit einem Fokusbereich von etwa 0,1 X 1,4 mm entwickelt worden. (Vgl. Acta Cryst 10, Seite 52, Dec. 1957.) Bei einer solchen Röhre ist die Energie pro Einheit des Fokusbereiches geringer, aber die Gesamtenergie ist höher. Eine solche Röntgenröhre stimmt im wesentlichen mit der von Ehrenberg und Spear überein mit Ausnahme der Kathodenanordnung, wobei diese auswechselbar ist, so daß der erforderliche Fokusbereich ausgewählt werden kann.

In anderen Fällen, insbesondere bei elektronischer Beobachtung sind ein großer Fokus und entsprechend höhere Energie wünschenswert.

Ein Merkmal der Röntgenröhre von Ehrenberg und Spear ist, daß die Elektronen-Entladungsbahn von der Kathode zur Anode innerhalb eines Elementes liegt, das auf einem Potential im Bereich des Kathodenpotentials liegt, das jedoch keinerlei Unterteilungen

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lierbasis 12 eingelassen und elektrisch mit Leitungen 23 verbunden sind, durch die der Strom dem Glühdraht 10 zugeführtwird. Die Abschirmung 11 ist zylindrisch und hat auf zwei Seiten Einschnitte 21, 22, so daß Platz für die Abstützungen 18 verbleibt. Die der Anode zugekehrte Oberfläche 16 der Abschirmung ist ebenfalls zylindrisch gebogen. Der Schlitz 13 ist durch gekrümmte Schlitzkanten 17 begrenzt, mit kleinerem Radius als dem Radius des gekrümmten Teiles 15 des

den Kathodensystem auf einem Potential gehalten werden, das etwa dem.Kathoden-Potential entspricht.

Das beschriebene Kathodensystem kann für verschiedene Arten von Röntgenröhren benutzt werden, und ein Anwendungsbeispiel soll nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben werden.

Hier ist die Röntgenröhre an einem Isolator 27 mit

aufweist, die sich nach innen in die Röhre zwischen der Kathode und der Anode als ein elektrostatisches Linsensystem erstrecken.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Röhren, wobei in der Praxis das genannte Element von der Röhrenwandung gebildet wird, die auf Erdpotential gehalten wird, während die Anode ein hohes positives Potential gegenüber der Erde hat und die Kathode etwa am Erdpotential liegt.

Der praktische Vorteil, solcher Röntgenröhren ist, io Glühdrahtes 10. Die Scheitelpunkte der Schlitzkandaß die Kathodenanordnung etwa das gleiche Potential ten 17 überragen den Scheitelpunkt des gekrümmten hat wie das Element rund um die Bahn der Elektronen Teiles 15 des Glühdrahtes um 1,6 mm. Die Abschirzwischen Kathode und Anode. Die Kathode erfor- mungll ist in der Isolierbasis 12 befestigt und hat dert also keine hohe elektrische Isolierung und kann unten eine Leitung 24, durch die Kühlwasser über kompakt ausgeführt und leicht abgenommen und 15 Ein- und Auslaßkanäle 25, 26 zugeführt wird, durch eine andere Kathodenanordnung ersetzt Die Kanäle 25, 26 bilden eine elektrische Verbin-

werden. dung zu der Abschirmung 11 und können auf diese

Eine Wirkung dieses Elementes, das ein Potential Weise, da sie gegenüber den Leitungen 23 und dem im Bereich des Kathodenpotentials aufweist, ist, daß Glühdraht 10 isoliert sind, als Mittel benutzt werden, ein stark konvergierendes elektrostatisches Feld er- 20 um die Metallabschirmung negativ gegenüber dem zeugt wird, das teilweise zur Erzeugung eines schar- Glühdraht einzustellen. Ebenso kann auf diese Weise fen Fokus beiträgt. Wenn zur Erzeugung eines Strich- die Wandung der Röntgenröhre mit dem innenliegenfokus eine Kathode in die Röhre eingesetzt wird, die
aus einem geraden Glühdraht in einem fokussierenden Schlitz besteht (wie es in bekannten Röntgen- 25
röhren der Fall ist, bei denen die Röhre und die
Anode sich auf Erdpotential befinden und die Kathode hoch negativ ist), wurde festgestellt, daß kein
befriedigender Strichfokus erzielt werden konnte,
wenn die Länge der Röhre um einen an sich er- 30 einem ringförmigen Einschnitt 28 befestigt, um den wünschten Betrag verringert wird. herum ein von außen aufgeschraubter Metallring 29

Bei der vorliegenden Erfindung ist sonach ausge- liegt. Oberhalb des Ringes 29 ist ein ringförmiges gangen von einer Feinfokus-Röntgenröhre mit strich- unteres Gehäuse 30 angeordnet, das an seinem unteren förmigem Brennfleck, bei der die Elektronenbahn Ende eine Schulter 31 besitzt, gegen die sich die zwischen dem in der Nähe des Erdpotentials liegen- 35 Schulter eines Gewinderinges 32 anlegt, der auf den den Kathodensystem und der auf Hochspannung lie- Metallring 29 aufgeschraubt ist und einen Dichtungsgenden Anode völlig innerhalb einer metallischen und
rohrförmigen Elektrode verläuft, die fokussierend auf
das Elektronenbündel wirkt. Gemäß der Erfindung
ist eine Röhre mit diesen Merkmalen dadurch ge- ₄₀
kennzeichnet, daß das Kathodensystem aus einem
ungewendelten Glühdraht besteht, der gegen die Bewegungsrichtung der Elektronen konvex bogenförmig
geformt ist, sowie eine metallische Abschirmung mit
den Glühdraht aufnehmendem Schlitz aufweist, deren 45 ses30 ist ein Verlängerungsrohr 35 angeschweißt, und den Glühdraht in Richtung Anode überragende Vor- an das obere Ende dieses Rohres 35 ist ein oberes Gederflächen ebenfalls konvexbogenförmiggewölbt sind. häusel9 angeschweißt. Das obere Ende des Gehäuses Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 19 trägt das ebenfalls angeschweißteKathodensystem. Zeichnungen dargestellt. Nahe dem oberen Ende des Gehäuses 19 liegen ein-

Fig. 1 ist eine Ansicht der Kathodenanordnung ge- 50 ander gegenüber Durchlässe 36 für die Röntgenstrahmäß der Erfindung, len. Mit einem beweglichen Schieber 37 außerhalb

des Gehäuses 19 kann der eine oder der andere Durchlaß 36 verschlossen werden.

Die Anode besteht aus einer Prallplatte 20, die 55 den oberen Teil eines rohrförmigen Körpers 38 darstellt, der sich nach unten durch den Isolator 27 erstreckt. Der rohrförmige Körper 38 besitzt an seinem unteren Ende eine Abbiegung 39, die in einen Rohranschluß 40 endet. Eine innere Leitung 41 erstreckt aus einem Glühdraht 10 und aus einer metallischen 60 sich innerhalb des rohrförmigen Körpers 38 nach Abschirmung 11, die beide auf einer Isolierbasis 12 oben bis dicht zu der Prallplatte 20, und diese innere befestigt sind, wobei die Basis 12 die Endkappe der
Röntgenröhre bildet, die weiter unten im einzelnen

ring 33 zwischen dem unteren Ende des unteren Gehäuses 30 und dem Isolator 27 zusammendrückt und somit eine gasdichte Verbindung bildet.

An einer Seite des unteren Gehäuses 30 liegt ein Rohranschluß 34, der an eine (nicht dargestellte) Vakuumpumpe angeschlossen ist, mit der das Innere der Röntgenröhre luftleer gemacht wird.

Am oberen Ende des rohrförmigen unteren Gehäu-

Fig. 2 ist ein Schnitt rechtwinklig zu Fig. 1, Fig. 3 ist eine Endansicht der Kathodenanordnung, Fig. 4 zeigt, teilweise im Schnitt, eine Röntgenröhre mit der Kathodenanordnung,

Fig. 5 zeigt die elektrischen Hochspannungs- und Einstellungsstromkreise für die Röhre nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 bis 3 besteht das Kathodensystem

beschrieben wird. Der Glühdraht liegt in einem 2 mm breiten Schlitz 13 in der Abschirmung 11. Der Glühdraht hat zwei gerade Fußteile 14 und einen mittleren gekrümmten Teil 15. Die Enden des Glühdrahtes werden in Abstützungen 18 gehalten, die in die IsoLeitung endet unten in einen besonderen Rohranschluß 42. Die Rohranschlüsse 40, 42 dienen zum Ein- und Auslaß von Kühlwasser für die Anode.

Um den rohrförmigen Körper 38 herum liegt ein Abstützisolator 43 mit sich radial nach außen erstreckenden Teilen 44, von denen nur eines zu sehen ist, und auf diese Weise wird der rohrförmige Kör-

per 38 im Innern der Röntgenröhre gehalten. Die Prallplatte 20 liegt 4,5 mm vom nahesten Teil der metallischen Abschirmung 11 des Kathodensystems entfernt, und die Längsachse der Röntgenröhre läuft durch die Mitte des gekrümmten Teiles 15 des Glühdrahtes 10.

In Fig. 5 sind die Stromkreise für die Hochspannung und für die Einstellung gezeigt. Der Glühdraht 10 ist mit der Sekundärwindung 51 eines Transformators 50 verbunden, der an seiner Primärseite mit einer Wechselstromquelle verbunden ist. Von einer Abzweigung 52 der Sekundärwindung 51 führt eine Leitung zu einem Widerstand 53, dessen anderesEnde geerdet ist. Ein beweglicher Abgriff des Widerstandes 53 ist ebenfalls geerdet, ebenso die Wandung der Röntgenröhre mit dem oberen Gehäuse 19, dem Verlängerungsrohr 35 und dem unteren Gehäuse 30 (HT-). Auch die Metallabschirmung 11 ist geerdet. Dies kann derart geschehen, daß eine der Ein- und Auslaßleitungen 25, 26 mit dem oberen Gehäuse 19 verbunden wird. Die Anode der Röntgenröhre ist, wie üblich, an eine Hochspannung HT + angeschlossen. Dieses Schaltschema ergibt ein kleines positives Potential für den Glühdraht 10, und dieses Potential kann eingestellt werden, indem man die Lage des beweglichen Abgriffs des Widerstandes 53 verändert. Die gemeinsame Wirkung des gekrümmten Glühdrahtes mit den gekrümmten Kanten 17 und der negativen Einstellung der Abschirmung 11 gegenüber dem Glühdraht ergibt einen Strichfokus von etwa 5 oder 6 mm Länge und von wenigen Zehntel Millimeter Breite mit einer nahezu gleichmäßigen Elektronenbelegung über die ganze Länge. Hierfür spielt die Krümmung des Glühdrahtes eine wichtige Rolle, eine zu starke Krümmung ergibt eine hohe Belegung in der Mitte, die dann zu beiden Enden abfällt, und eine kleine Krümmung ergibt eine unerwünschte Belastung der Enden.

Mit der in den Zeichnungen gezeigten Anordnung können, bei entsprechender Kühlung der Anode, Röhrenleistungen bis zu 450 Watt (50KV, 9 mA) verbraucht werden.

Zwecks Erzielung einer Maximalleistung der Röntgenröhre wird diese dicht bis zu der Grenze betrieben, bei der die Prallplatte angegriffen wird. Deshalb muß die Prallfläche der Anode verhältnismäßig häufig nachgearbeitet werden, je nach der Röhrenleistung, mit der gearbeitet wird. Für mittlere Leistungen bis zu 150 oder 200 Watt kann eine abnehmbare Prallplatte 20 benutzt werden, bei höheren Leistungen sollte die Prallfläche aus einem Stück mit der gekühlten Anode bestehen, um einen Wärmewiderstand einer dazwischenliegenden Trennfläche zu vermeiden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Feinfokus-Röntgenröhre mit strichförmigem Brennfleck, bei der die Elektronenbahn zwischen dem in der Nähe des Erdpotentials liegenden Kathodensystem und der auf Hochspannung liegenden Anode völlig innerhalb einer metallischen und rohrförmigen Elektrode verläuft, die fokussierend auf das Elektronenbündel wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodensystem aus einem ungewendelten Glühdraht (10) besteht, der gegen die Bewegungsrichtung der Elektronen konvex bogenförmig geformt ist, sowie eine metallische Abschirmung (11) mit den Glühdraht aufnehmendem Schlitz (13) aufweist, deren den Glühdraht in Richtung Anode überragende Vorderflächen (16) ebenfalls konvex bogenförmig gewölbt sind.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühdraht (10) kreisbogenförmig geformt ist und die Vorderflächen (16) der metallischen Abschirmung ebenfalls kreisbogenförmig, jedoch mit kleinerem Durchmesser als der Glühdraht, gewölbt sind.

3. Röntgenröhre nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Abschirmung (11) eine Kühlwasserleitung (24) enthält.

4. Röntgenröhre nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodensystem auswechselbar ist.

5. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Röntgenröhre nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Stromkreis für die Potentialdifferenz zwischen Glühdraht (10) und Anode (20) der Röntgenröhre ein weiterer Stromkreis vorhanden ist, der die rohrförmige Elektrode (19) und die metallische Abschirmung (11) auf einem gegenüber dem Glühdraht derart negativen Potential hält, daß auf der Anode ein strichförmiger Brennfleck mit gleichmäßiger Elektronenbelegung entsteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 651507, 701 050;
USA.-Patentschrift Nr. 2 683 223;
Zeitschrift für angewandte Physik, Bd. VII, 1955, Nr. 11, S. 532 bis 536.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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