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Drehanodenröntgenröhre Die Erfindung betrifft eine Drehanodenröntgenröhre
zur Erzeugung eines scharf begrenzten Brennflecks gleichmäßiger Strahlenabgabe,
bei welcher der Drehanode eine Glühkathode zugeordnet ist, die auf der Anode einen
streifenförmigen Brennfleck erzeugt, dessen Längsausdehnung quer zur Brennfleckbahn
liegt.
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Röntgenröhren der vorgenannten Art werden insbesondere zur Herstellung
von Röntgenbildern verwendet, die große Zeichenschärfe aufweisen sollen. Bekanntlich
ist es nämlich für die mit einer Röntgenröhre erzielbare Zeichenschärfe und damit
für die Erkennbarkeit von Einzelheiten auf Röntgenbildern von ausschlaggebender
Bedeutung, daß der Brennfleck auf der Anode möglichst klein ist und gleichmäßig
Röntgenstrahlen abgibt. Dies hängt damit zusammen, daß die Röntgenbilder projizierte
Schattenbilder sind und die Projektion um so schärfer ausfällt, je mehr sich die
Ausdehnung der projizierenden Strahlenquelle der Punktförmigkeit nähert. Bei einem
Brennfleck, der flächenhaft ungleichmäßig Röntgenstrahlen abgibt, wird durch die
stärker strahlenden Teile des Brennflecks, ein Schattenbild projiziert und durch
die schwächer strahlenden Teile, die außerhalb der stärker strahlenden Teile liegen,
wird ein schwächeres Bild dem starken Bild überlagert. Dadurch ist aber eine Abschwächung
der Zeichenschärfe bedingt.
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Bei den bekannten Brennflecken von Drehanodenröntgenröhren fällt die
Dichte der emittierten Strahlen wegen der unten angegebenen Ungleichmäßigkeit der
Kathodenemission nach zwei einander gegenüberliegenden Rändern des streifenförmigen
Brennflecks hin stark ab. Das dadurch erzeugte Röntgenstrahlenbündel erhält somit
ungleichmäßige -- Strahlenverteilung, mit welcher ohne zusätzliche Mittel, wie etwa
Blendenelemente zur Ausblendung der weniger dichten Teile des Bündels, keine Röntgenbilder
guter Zeichenschärfe erzielt werden können.
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Die ungleichmäßige Strahlung kommt dadurch zustande, daß bei Drehanodenröntgenröhren
zur Erzeugung des streifenförmigen, mit seiner Längsausdehnung quer zur Brennfleckbahn
liegenden Brennflecks ziemlich lange Glühwendeln zur Emission der Elektronen des
Kathodenstrahles benutzt werden. Während die Fokussierung der Elektronen leicht
so durchgeführt werden kann, daß die seitlichen Kanten scharf sind, ist dies bei
der Längsbegrenzung des Brennflecks sehr schwierig. Die seitliche Fokussierung ergibt
sich nämlich bei den Glühkathoden von selbst, weil die Wärmeverteilung und damit
die Elektronenemission quer zur Glühkathode einheitlich ist. Die Fokussierung der
dem Anfang und dem Ende der Glühkathode entsprechenden Seiten des Elektronenstrahls,
also der am inneren und äußeren Rande der Brennfleckbahn auftreffenden Elektronen,
ist aber schwierig, weil die Emission an diesen Stellen der Glühkathode abfällt.
Dieser Abfall der Emission tritt auf wegen der Wärmeableitung durch die elektrischen
Zuleitungen zur Glühkathode.
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Auch durch die Anwendung von z. B. aus Blech bestehenden Begrenzungsblenden
kann dieser Mangel nicht in gewünschtem Maße beseitigt werden. Strebt man bei dieser
Art der Fokussierung gute Ausblendung an, so nimmt der Wirkungsgrad der Kathode
stark ab, weil durch die Blendenteile viele Elektronen abgefangen werden und für
die Röntgenstrahlenerzeugung verlorengehen. Wird andererseits die Anbringung der
Blendenteile so gewählt, daß der Energieverlust gering ist, so wird auch nur eine
geringe Ausblendung erzielt, weil dann an den Blechen Randstreuungen auftreten.
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Die eingangs dargelegte Aufgabe wird bei einer Drehanodenröntgenröhre
mit einem durch eine der Drehanode zugeordnete Glühkathode auf der Anode erzeugten
streifenförmigen, mit seiner Längsausdehnung quer zu einer ringförmigen Brennfleckbahn
liegenden Brennfleck erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung eines scharf
begrenzten und gleichmäßig emittierenden Brennflecks die Brennfleckbahn beiderseitig
durch zur Drehachse der Anode konzentrische Vertiefungen im Anodenteller begrenzt
ist und die Brennfleckbahn höchstens so breit ist wie der mittlere, gleichmäßige
Strahldichte aufweisende Teil des Elektronenstrahlenbündels, wobei die Vertiefungen
hinsichtlich ihrer Breite und ihres Profils so bemessen sind, daß einerseits die
ungleichmäßige Strahldichte aufweisenden Randbereiche des Elektronenstrahlenbündels
vollständig in die Vertiefungen
fallen und andererseits die in
den Vertiefungen entstehenden Röntgenstrahlen nicht zum Nutzstrahlenbündel der Röhre
beitragen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Drehanodenröntgenröhre
wird ein scharf begrenzter gleichmäßig strahlender Brennfleck erhalten, weil 1.
der Brennfleck, entsprechend der seitlich scharf begrenzten Elektronenemission der
Kathode, wie bei den bekannten Röntgenröhren seitlich scharf begrenzt ist, und weil
2. der ungleichmäßige Teil des Kathodenstrahls, der vom Anfang und vom Ende der
Glühkathode ausgeht, in die Vertiefungen fällt, aus denen Röntgenstrahlen nicht
zu der zu bestrahlenden Fläche gelangen können, weil ihnen der Weg zu dieser Fläche
durch Teil-- der Anode versperrt ist.
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Damit ist durch die Erfindung die Erzeugung eines gleichmäßig strahlenden
und scharf begrenzten Brennflecks bei Drehanodenröntgenröhren auf einfache Weise
erzielt.
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Die Vertiefungen auf der Anode werden insbesondere so ausgebildet,
daß sie die Wärmeabführung aus der Brennfleckbahn nicht stören. Dies wird in einfacher
Weise dadurch erreicht, daß die Vertiefungen etwa V-förmigen Querschnitt haben.
Auch Vertiefungen mit rechteckigem, U-förmigem oder in der Vertiefung beliebig abgerundetem
Querschnitt können so gelegt werden, daß Röntgenstrahlen daraus nicht auf die zu
bestrahlende Fläche gelangen können und trotzdem die Wärmeableitung von der Brennfleckbahn
nur geringfügig oder gar nicht gestört ist. Die Wärmeableitung wird um so weniger
gestört, je größer der Winkel ist, den die Vertiefungswände mit der Oberfläche der
Brennfleckbahn einschließen, weil dann der Wärmefluß zum Anodenmaterial weniger
gehemmt ist. Die an der der Anodenachse zugewandten Seite der Brennfleckbahn liegende
Vertiefung kann mit ihrer zweiten Begrenzung bis zum Anodenzentrum reichen bzw.
es kann die zweite Begrenzung ganz wegfallen, so daß in der Mitte der Anodenoberfläche
eine einzige Vertiefung vorhanden ist, die vom Innenrand der Brennfleckbahn außen
begrenzt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Brennfleckbahn ist es nicht
notwendig, die Länge des Brennflecks durch die Länge der Glühwendel exakt zu bestimmen,
denn dieser kann ohne weiteres durch den Abstand der beiden die Brennfleckbahn begrenzenden
Kanten der Vertiefungen festgelegt werden.
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Das vorliegend angegebene Prinzip ist auch vorteilhaft anwendbar bei
Drehanoden mit zwei getrennten Brennfleckbahnen. Die Neigungswinkel der Bahnen gegenüber
der Senkrechten auf der Drehachse können dabei gleich oder verschieden sein. Dabei
ist es möglich, die Vertiefungen an den aneinandergrenzenden Seiten der beiden Brennfleckbahnen
zu einer einzigen Vertiefung zusammenzuziehen.
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Zur Justierung der Glühkathode auf die erfindungsgemäß durch Vertiefungen
begrenzta Brennfleckbahn bzw. Brennfleckbahnen ist es weiterhin vorteilhaft, an
der Röhre eine von außen bedienbare Vorrichtung anzubringen, die eine Einstellung
der Kathode auf die Brennfleckbahnen auch noch nach dem Zusammenbau ermöglicht.
Die Anwendung derartiger Justiereinrichtungen erleichtert den Aufbau einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Röntgenröhre. Bei ihrer Anwendung ist es nämlich nicht notwendig,
die Kathode und die Anode schon beim Zusammenbau genau aufeinander auszurichten.
Zur Herstellung einer mechanischen Justiereinrichtung kann an der Verbindungsstelle
der Kathode mit dem Röhrenkolben ein bekanntes Wehrohr zwischengeschaltet sein,
so daß eine vakuumdichte aber bewegbare Verbindung erhalten wird. Die eigentliche
Justierung kann dann durch Verschieben und Fixieren der Kathode erfolgen, indem
sie z. B. in an sich bekannter Weise, etwa durch drei Schrauben, die von verschiedenen
Seiten her an der Kathode bzw. einem an dieser angebrachten Ansatz angreifen, gehalten
wird. Es können aber auch elektrische Beeinflussungsmittel für die Elektronenstrahlen
vorgesehen sein und zur Justierung herangezogen werden.
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Die Wirkungsweise wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung als
Beispiele dargestellten Ausführungsformen weiter beschrieben. Die Darstellung umfaßt
in F i g. 1 eine teilweise aufgebrochene Drehanode, bei welcher zu beiden Seiten
der Brennfleckbahn V-förmige Vertiefungen angeordnet sind, F i g. 2 einen Ausschnitt
aus einer Röntgenröhre, in welcher eine Drehanode nach F i g. 1 benutzt ist, an
der außerdem zur Erklärung der Wirkungsweise der Verlauf der wichtigen Strahlengrenzen
eingetragen ist; in F i g. 3 ist eine andere teilweise aufgebrochene Drehanode dargestellt,
bei welcher die äußere Vertiefung U-förmig ist und die innere Vertiefung den ganzen
inneren Teil der Drehanode umfaßt; F i g. 4 ist eine teilweise aufgebrochene Drehanodenröhre
mit zwei Brennfleckbahnen und einjustierbarer Kathode; F i g. 5 zeigt einen Ausschnitt
aus der in der Röhre nach F i g. 4 benutzten Anode und zur Erläuterung den Verlauf
der Strahlengrenzen, und F i g. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einer Anode mit zwei
Brennfleckbahnen, von denen die äußere Bahn gegenüber der Senkrechten auf der Anodenachse
weniger geneigt ist als die innere Bahn.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 besteht die Drehanodenplatte
1 aus einem Unterteil la aus Molybdän mit einer Auflage 1b aus Wolfram und besitzt
im wesentlichen die bekannte tellerartigeForm. Lediglich an den seitlich nach unten
gebogenen Teilen der Platte 1 sind die V-förmigen Vertiefungen 2 und 3 zu beiden
Seiten der Brennfleckbahn 4 eingebracht. Während die seitlich nach unten gebogenen
Teile der Platte 1 mit der Senkrechten auf der Anodenachse 5 nach unten einen
Winkel von z. B. 17,5° bilden, haben die zum Außenrand der Anodenplatte 1 weisenden
Wände der Vertiefungen 2 und 3 gegenüber der Senkrechten auf der Anodenachse 5 einen
Winkel nach oben. Der Winkel der äußeren Wand der inneren Vertiefung 2 beträgt dabei
17,5° nach oben und derjenige der äußeren Wand der äußeren Vertiefung 3 beträgt
20° nach oben. Die Winkel der Wände, die an der der Anodenachse zugewandten Seite
der Vertiefungen 2 und 3 liegen, weisen gegenüber der Senkrechten auf der Anodenachse
5 um 90° nach unten. Sie liegen also zur Anodenachse 5 parallel.
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Wie bei der in F i g. 2 im Ausschnitt gezeichneten Drehanodenröntgenröhre
treffen bei der Drehanode nach F i g. 1 die entsprechend den Pfeilen 6 parallel
zur Anodenachse 5 verlaufenden Kathodenstrahlen,
die von der in
bekannter Weise in einem Gehäuse 8 untergebrachten Glühwendel? ausgehen, auf die
Brennfleckbahn 4 auf. Sowohl die vom mittleren, gleichmäßigen Teil des Kathodenstrahls
6 beaufschlagte Brennfleckbahn 4 als auch die von den Randstrahlen
9 und 10 des Kathodenstrahls 6 beaufschlagten Teile der Vertiefungen
2, 3 werden beim Einschalten der Röhre zur Emission von Röntgenstrahlen angeregt.
Aber lediglich die Röntgenstrahlen, die von der Brennfleckbahn 4 ausgehen, können
aus der Röhre durch die dünne Stelle 11 der gläsernen Kolbenwand 12 austreten und
die zu bestrahlende Fläche 13 treffen. Die durch Elektronen der Randstrahlen 9,
10, die in die Vertiefungen 2 und 3 fallen, ausgelösten Röntgenstrahlen
können bezüglich der Fläche 13 von der Drehanode nur in Richtungen abgestrahlt
werden, die außerhalb, im vorliegenden Beispiel oberhalb, der Fläche 13 liegen.
Dies kommt daher, daß die Auftrefforte der Randstrahlen 9, 10 die nach außen liegenden
Wände der Vertiefungen 2 und 3 sind und der Austritt von Röntgenstrahlen entsprechend
der durch die zum oberen Rand der Fläche 13 weisenden Linien 14, 15 auf Bezirke
beschränkt ist, die außerhalb der zu bestrahlenden Fläche 13 liegen, weil
die schädliche Strahlung durch die Vertiefungswände, die entlang den Linsen 14,
15 liegen, aufgehalten werden, so daß sie nicht in den durch die Linien 15; 16 begrenzten
Nutzstrahlenkegel fallen.
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In der F i g. 3 ist die tellerartige Anodenplatte aus Wolfram mit
17 bezeichnet. Die dem Innenrand der Brennfleckbahn 18 zugeordnete Vertiefung
19 besitzt dabei die Form einer Ausnehmung, die in dem durch die Brennfleckbahn
umschlossenen Innenteil der Anodenplatte 17 liegt. Die äußere Wand
20 dieser Ausnehmung 19, die an dieBrennfleckbahn 18 grenzt, besitzt gegenüber
der Senkrechten auf der Anodenachse 21 einen Winkel von 17,5° nach oben, während
die Brennfleckbahn gegenüber der Senkrechten auf der Anodenachse 2 einen Winkel
von 17,5° nach unten aufweist. Die dem äußeren Rand der Brennfleckbahn
18 zugeordnete Vertiefung 22 besitzt U-Form. Die beiden seitlichen
Wände dieser Vertiefung laufen zueinander und zur Anodendrehachse parallel. Die
Lage des Punktes 23, entsprechend dem unteren Rand der an die Brennfleckbahn 18
angrenzenden Wand der Vertiefung 22 und des Punktes 24 entsprechend
dem oberen Rand der äußeren Wand der Vertiefung 22 ist so gewählt, daß die geradlinige
Verbindung dieser beiden Punkte einen Winkel von 20° nach oben gegenüber der Senkrechten
auf der Anodendrehachse 21 aufweist. Auch bei dieser Ausführung der Erfindung fallen
die den Randstrahlen 9 und 10 aus F i g. 2 entsprechenden Strahlen eines Kathodenstrahls
in die Vertiefungen 19 und 22. Die dabei entstehenden Röntgenstrahlen werden durch
die dem Außenrand der Platte 17 zugewandten Wände der Vertiefungen 19, 22
von einer zu bestrahlenden Fläche ferngehalten.
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Die in der F i g. 4 dargestellte Röntgenröhre 25 besitzt einen gläsernen
Kolben 26, in welchem die Kathode 27 und die Anode 28 im Hochvakuum gelagert sind.
Die Lagerung der Kathode 27 ist bei der dargestellten Ausführung mittels des Wellrohres
29 bewerkstelligt, dessen eines Ende mit der Kathode 27 und dessen anderes Ende
mit dem Glaskolben 26 vakuumdicht verbunden ist. Die Anode ist über ihre Achse
30 und den Rotor 31, der in bekannter Weise auf Kugellagern ruht, mit dem
Kolben 26 verbunden. Die Kathode 27 enthält einen Ansatz 32, in welchem sich die
Glühwendeln 33 und 34 befinden, welche über die Leitungen 35, 36 und 37 in bekannter
Weise, zur Einschaltung jeweils einer bzw. beider Wendeln 33 und 34, an eine Stromquelle
angeschlossen sind. Außerdem ist mit diesen Wendeln 33 und 34 noch
der eine Pol der Betriebsstromquelle der Röhre verbunden. Die Leitungen 35, 36 und
37 sind innerhalb der Kathode 27 durch den vakuumdichten Verschluß 38 hindurch nach
außen geführt. Die Führung der Leitungen 35, 36, 37 erfolgt in dem rohrförmigen
Ansatz 39 an der Kathode 27. Dem Ansatz 39 sind am Ende des Glaskolbens die Schrauben
40 und 41 zugeordnet. Diese Schrauben sind Teile der aufgeschnitten gezeichneten
Justiereinrichtung 42. Die Einrichtung 42 besteht aus einem ringförmigen, in seinem
unteren Teil doppelwandigen und nach unten offenen Metallteil 42', welcher
mit seiner offenen Seite auf das kathodenseitige Ende der Röhre aufgekittet ist.
Im oberen einwandigen Teil befinden sich drei Justierschrauben, von denen in der
F i g. 4 nur die mit 40
und 41 bezeichneten sichtbar sind. Die Beweglichkeit
der Kathode 27 ist durch das Wellrohr 29 gewährleistet. Die Anode 28 besitzt
auf ihrer Oberfläche die zwei Brennfleckbahnen 43 und 44. Es ist leicht einzusehen,
daß eine Justierung der Kathode 27, d. h. ein Einrichten der Glühspiralen 33 und
34 auf die Bahnen 43 und 44 der Anode 28 durch Verstellen der
Schrauben der Justiereinrichtung erfolgen kann.
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Bei richtiger Einjustierung der Kathode 27 erhält der Ansatz 32 eine
Stellung derart, daß die Elektronenstrahlen 45 auf die Brennfleckbahnen
43 bzw. 44
auftreffen, so daß der gleichmäßige Teil, wie bereits in
F i g. 2 gezeigt, auf die eigentliche Brennfleckbahn 43 bzw. 44 fällt
und die ungleichmäßige Dichte aufweisenden Teile der Elektronenstrahlen in die Vertiefungen
46 und 47 bzw.47 und 48 fallen. Der Strahlenverlauf (F i g. 5) bei der Brennfleckbahn
43 ist dann durch die Randstrahlen 49 und 50 und derjenige
der Brennfleckbahn 44 durch die Randstrahlen 51 und 52 begrenzt. Die Begrenzung
der entstehenden ungleichmäßigen Röntgenstrahlung erfolgt durch den Winkel, den
die äußeren Wände der Vertiefungen 46, 47 und 48 gegenüber der Senkrechten
auf der Drehachse 30 bilden. Die zu bestrahlende Fläche 53 wird nicht von ungleichmäßigen
Röntgenstrahlen getroffen, weil die Winkel der Vertiefungen 46, 47 und
48 so gewählt sind, daß sie über den oberen Rand 54 der Fläche
53
hinausgehen.
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Der in F i g. 6 dargestellte Abschnitt einer Drehanode 55 besitzt
als wesentlichen Unterschied gegenüber der Anode 28 eine innere Brennfleckbahn
56,
die stärker gegenüber der Senkrechten auf der Anodenachse 57 geneigt ist
als die äußere Brennfleckbahn 58. Auch hier sind die Wände der Vertiefungen
59,
60, 61 so gewählt, daß keine ungleichmäßigen Röntgenstrahlen die
zu bestrahlende Fläche 62 treffen, wie aus der gestrichelt eingezeichneten Führung
der äußeren Strahlenbegrenzungen, die analog denjenigen, die in den F i g. 2 und
5 dargestellt sind, verlaufen, zu ersehen ist. Das von der inneren Bahn 56 ausgehende
Nutzstrahlenbündel besitzt die Begrenzungen 63, 64 und das von der äußeren Bahn
58 die Grenzen 65, 66.
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Die Begrenzungen der Nutzstrahlenbündel, die von den Brennfleckbahnen
43 und 44 (F i g. 5) und den Brennfleckbahnen 56 und 58 (F i g. 6)
ausgehen, ergeben sich in bekannter Weise einerseits durch die
Neigungen
der Brennfleckbahnen und andererseits durch einen Randstrahl, der gegenüber der
Senkrechten auf der Anodenachse symmetrisch zu der nach unten gerichteten Neigung
der Brennfleckbahn nach oben gerichtet ist. Die Begrenzung des Strahlenbündels bei
der Benutzung der Röhre erfolgt bekanntlich mittels einer Blende, die der Röhre
von außen zugeordnet wird. Der erfindungsgemäß vermiedene Nachteil von Helligkeitsungleichmäßigkeiten
am Rande des Brennflecks kann mittels einer solchen Blende nicht eliminiert werden.
Ungleichmäßig helle Ränder des Brennflecks sind nämlich über das ganze Strahlenbündel
wirksam. Mit den Begrenzungsblenden erfolgt aber nur eine Abblendung der Ränder
des Strahlenbündels.
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Es ist zwar eine Röntgenröhre mit feststehender Anode bekannt, bei
der die Elektronen auf eine Fläche auftreffen, die durch abgeschrägte Wände begrenzt
ist. Zur Absorption der auf den schrägen Flächen ausgelösten Röntgenstrahlen sind
bei dieser Röhre aber zusätzlich noch besondere Blendenelemente notwendig. Die erfindungsgemäße
Anwendung von Vertiefungen bei Drehanoden unterscheidet sich von dieser Ausführung
bei feststehender Anode grundsätzlich dadurch, daß keine zusätzlichen Blendenelemente
notwendig sind. Durch das Wegfallen der Blendenelemente ergibt sich eine einfachere
und leichtere Konstruktion der Röhre.