DE19638150C2

DE19638150C2 - X-ray tube

Info

Publication number: DE19638150C2
Application number: DE19638150A
Authority: DE
Inventors: Clemens Fiebiger; Thomas Redel; Andreas Schaller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2016-09-19
Also published as: DE19638150A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre mit einem im Ausbreitungs weg der Röntgenstrahlung angeordneten, in das Vakuumgehäuse eingesetzten, dünnwandigen Strahlenaustrittsfenster.The invention relates to an X-ray tube with one in the spread arranged away from the x-rays, into the vacuum housing used, thin-walled radiation exit window.

Bekanntermaßen verringert sich beim Durchgang von Röntgen strahlung durch Materie die Intensität der Röntgenstrahlung. Außerdem härtet die Strahlung infolge der bevorzugten Absorp tion weicher Quanten auf. Das Verhältnis von ankommender zu austretender Strahlung pro Flächeneinheit hängt beim Durch gang von Röntgenstrahlung durch Materie von der Anzahl und der Ordnungszahl der passierten Hüllenatome des jeweiligen Materials ab. Es ist daher günstig, im Ausbreitungsweg der Röntgenstrahlung angeordnete Körper möglichst dünnwandig aus zuführen und aus einem Material niedriger Ordnungszahl zu bilden, sofern nicht eine Abschattung der Röntgenstrahlung erwünscht ist.As is known, it decreases with the passage of X-rays radiation through matter the intensity of x-rays. In addition, the radiation hardens due to the preferred absorber tion of soft quanta. The ratio of incoming to emerging radiation per unit area depends on the through course of x-rays through matter on the number and the atomic number of the passed shell atoms of the respective Material. It is therefore favorable to spread the X-rays arranged bodies as thin-walled as possible feed and from a material of low atomic number form, unless shadowing the X-rays is desired.

Seit vielen Jahren wird Beryllium als Werkstoff sowohl für Strahlenaustrittsfenster als auch andere im Strahlengang der Röntgenstrahlung befindliche Bauteile, z. B. Streuelektronen fänger, verwendet. Gründe dafür sind vor allem die niedrige Ordnungszahl (z = 4), die Gasdichtigkeit, die hinreichende mechanische Festigkeit, die Lötbarkeit und die ausreichende Verfügbarkeit von Beryllium in Form von dünnen Folien (Dicke je nach Anwendungsfall ca. 50 bis 1.000 µm). Aufgrund dieser günstigen Eigenschaften wird Beryllium trotz bekannter Nach teile wie Giftigkeit und somit Notwendigkeit der Entsorgung als Sondermüll, schwierige Bearbeitung und hoher Preis ver wendet.For many years, beryllium has been used as a material for both Radiation exit window as well as others in the beam path of the X-ray components, e.g. B. Scatter Electrons catcher, used. The main reasons for this are the low ones Atomic number (z = 4), the gas tightness, the sufficient mechanical strength, solderability and sufficient Availability of beryllium in the form of thin foils (thickness approx. 50 to 1,000 µm depending on the application. Based on these Despite its well-known properties, beryllium has favorable properties parts such as toxicity and therefore necessity of disposal as special waste, difficult processing and high price turns.

Aus der Literaturstelle "Röntgenröhren mit Fenstern aus Kohle (Elektrographit an Stelle von Beryllium)" von E. Missler in Elektronik, 7. Jahrgang, Heft 9, September 1953, Seiten 443 und 444, ist es bekannt, ein innerhalb des Vakuumgehäuses einer Röntgenröhre als Streuelektronenfänger vorgesehenes Fenster aus Elektrographit zu fertigen. Ein Streuelektronen fänger ist übrigens ein Körper, der diejenigen Elektronen des von der Kathode der Röntgenröhre ausgehenden und auf der Anode der Röntgenröhre auftreffenden Elektronenstrahls, die von der Anode zurückgestreut werden, auffangen soll, ohne daß beim Auftreffen der zurückgestreuten Elektronen unerwünschte extrafokale Röntgenstrahlung erzeugt wird und/oder von den Elektronen getroffene Bauteile unerwünschterweise elektrisch aufgeladen werden.From the reference "X-ray tubes with windows made of coal (Electrographite instead of beryllium) "by E. Missler in Electronics, 7th year, number 9, September 1953, pages 443 and 444, it is known to be within the vacuum housing an X-ray tube provided as a scattering electron catcher Manufacture windows from electrographite. A scattering electron is a body by the way, the electron of the from the cathode of the x-ray tube and on the Anode of the X-ray tube striking the electron beam to be scattered back from the anode, to be collected without undesirable when the backscattered electrons strike extrafocal X-rays are generated and / or by the Components that are hit by electrons are undesirably electrical to be charged.

Außerdem ist es aus der WO 96/21235 A1 bekannt, die Strahlen eintrittsfenster von Röntgenstrahlendetektoren aus einem als "glassy carbon" bezeichneten Werkstoff zu bilden, der durch Ionenbombardement aus einem polymeren Werkstoff gebildet wird.It is also known from WO 96/21235 A1, the rays Entry window of X-ray detectors from an as "glassy carbon" designated material to form by Ion bombardment formed from a polymeric material becomes.

Weiter ist es aus der CH 677 302 A5 bekannt, ein aus Beryl lium gebildetes Strahlenaustrittsfenster für eine Röntgen röhre auf wenigstens einer Seite mit Diamant zu beschichten.It is also known from CH 677 302 A5, one from Beryl lium-formed radiation exit window for an x-ray to coat the tube with diamond on at least one side.

Aus der DE-OS 20 28 921 ist es bekannt, ein aus Beryllium gebildetes Strahlenaustrittsfenster einer Röntgenröhre in deren Vakuumgehäuse einzulöten.From DE-OS 20 28 921 it is known, a beryllium formed radiation exit window of an x-ray tube in solder their vacuum housing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bezüglich des Materials des dünnwandigen Teils Probleme mit Giftigkeit und hohem Preis vermieden sind.The invention has for its object an X-ray tube of the type mentioned in such a way that with respect to the Material of the thin-walled part problems with toxicity and high price are avoided.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Rönt genröhre mit einem aus durch die Pyrolyse von unschmelzbarem Kunststoff gewonnenem, glasartigem Kohlenstoff gebildeten, im Ausbreitungsweg der Röntgenstrahlung angeordneten, in das Va kuumgehäuse eingesetzten, dünnwandigen Strahlenaustrittsfen ster. Gemäß einer Variante der Erfindung kann ein aus durch die Pyrolyse von unschmelzbarem Kunststoff gewonnenem, glasar tigem Kohlenstoff gebildeter, dünnwandiger Körper auch im Inne ren des Vakuumgehäuses als Streuelektronenfänger im Ausbrei tungsweg der Röntgenstrahlung angebracht sein.According to the invention, this object is achieved by an X-ray gene tube with one made by the pyrolysis of infusible Plastic-derived, glass-like carbon formed in X-ray propagation path arranged into the Va used in thin-walled radiation exit windows ster. According to a variant of the invention, an out can the pyrolysis of infusible plastic, glasar carbon-formed, thin-walled body also inside Ren of the vacuum housing as a scattering electron catcher in the spread X-ray path.

Durch die Pyrolyse unschmelzbarer Kunststoffe gewonnener, glasartiger Kohlenstoff schwächt wegen seiner gegenüber Beryllium nur geringfügig höheren Ordnungszahl (z = 6) Röntgenstrahlung nur unwesentlich, ist gasdicht, von guter mechanischer Festigkeit, praktisch unbegrenzt verfügbar, z. B. unter dem Handelsnamen "Sigradur®", und vor allem ungiftig und kostengünstig.The pyrolysis of infusible plastics vitreous carbon weakens because of its opposite Beryllium only slightly higher atomic number (z = 6) X-ray radiation only insignificant, is gas-tight, good mechanical strength, practically unlimited available, e.g. B. under the trade name "Sigradur®", and above all non-toxic and inexpensive.

Das Strahlenaustrittsfenster ist es gemäß einer Ausführungs form der Erfindung mit dem Vakuumgehäuse der Röntgenröhre durch Löten verbunden. Der Streuelektronenfänger ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mechanisch, d. h. beispielsweise durch Klemmen oder Halten mittels einer Feder, an einem anderen Bauteil der Röntgenröhre angebracht.The radiation exit window is according to one embodiment form of the invention with the vacuum housing of the X-ray tube connected by soldering. The scattering electron catcher is according to a further embodiment of the invention mechanically, i. H. for example by clamping or holding by means of a spring, attached to another component of the x-ray tube.

Bezüglich näherer Informationen über glasartigen Kohlenstoff wird auf folgende Veröffentlichungen verwiesen:
For more information on vitreous carbon, reference is made to the following publications:

1. Glassy carbon Sigradur® - a material for Chemistry and Technology, D: Dübgen et al., Z. Werkstofftech. 15, 331 to 338, Verlag Chemie GmbH, Weinheim, 1984,
2. Material properties and applications of vitreous Carbon Sigradur®, information from HTW Hochtempe ratur-Werkstoffe GmbH, Thierhaupten,
3. Sigradur® - the glassy carbon of HTW, information from HTW Hoch Temperatur-Werkstoffe GmbH, Thierhaupten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Embodiments of the invention are in the accompanying Drawings shown. Show it:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Festanoden-Röntgen röhre im Längsschnitt, Fig. 1 shows a schematic representation of a fixed anode X-ray tube in longitudinal section;

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ein Detail der Festanoden-Röntgenröhre gemäß Fig. 1, Fig. 2 in an enlarged illustration a detail of the fixed anode X-ray tube according to Fig. 1,

Fig. 3 in zu der Fig. 2 analoger Darstellung ein Detail ei ner Variante der Festanoden-Röntgenröhre gemäß den Fig. 1 und 2, Fig. 3, analogously to FIG. 2 representation of a detail egg ner variant of the fixed anode X-ray tube shown in FIGS. 1 and 2

Fig. 4 ebenfalls eine Festanoden-Röntgenröhre im Längs schnitt, und Fig. 4 also a longitudinal section of a fixed anode X-ray tube, and

Fig. 5 in vergrößerter Darstellung ein Detail der Festanoden-Röntgenröhre gemäß Fig. 4. Fig. 5 in an enlarged illustration a detail of the fixed anode X-ray tube according to Fig. 4.

Das insgesamt mit 1 bezeichnete Vakuumgehäuse der Röntgen röhre gemäß Fig. 1 weist einen etwa rohrförmigen metallischen Grundkörper 2 auf, in dessen eines Ende eine Anode 3 vakuum dicht eingesetzt ist. An das andere Ende des Grundkörpers 2 ist unter Zwischenfügung eines dünnwandigen, metallischen Roh res ein aus Glas gebildeter Gehäuseabschnitt 4 vakuumdicht angesetzt, der eine der Anode 3 gegenüberliegend angeordnete Kathodenanordnung 5 mit einer Glühwendel 6 trägt.The vacuum housing of the X-ray tube according to FIG. 1, designated as a whole by 1 , has an approximately tubular metallic base body 2 , in one end of which an anode 3 is inserted in a vacuum-tight manner. At the other end of the base body 2 with a thin-walled, metallic raw res a glass housing section 4 is vacuum-sealed, which carries an anode 3 arranged opposite cathode arrangement 5 with a filament 6 .

Wird in nicht dargestellter Weise die Glühwendel 6 mit einem Heizstrom versorgt und zwischen Anode 3 und Kathodenanordnung 5 die Röhrenspannung angelegt, trifft der nun von der Glüh wendel 6 ausgehende Elektronenstrahl auf die Anode 3 in dem sogenannten Brennfleck auf, von dem Röntgenstrahlung ausgeht. Diese verläßt das Vakuumgehäuse durch vier in entsprechende kreisrunde Öffnungen 7 des Grundkörpers 2 des Vakuumgehäuses 1 eingesetzte Strahlenaustrittsfenster 8, die in Winkelab ständen von jeweils 90° voneinander angeordnet sind. In Fig. 1 sind nur drei Strahlenaustrittsfenster 8 sichtbar. Is supplied in a manner not shown the incandescent filament 6 having a heating current and is applied, the tube voltage between the anode 3 and the cathode assembly 5, which is now emerging from the incandescent filament 6 electron beam impinges on the anode 3 into the so-called focal spot emanating from the X-ray radiation. This leaves the vacuum housing through four inserted into corresponding circular openings 7 of the base body 2 of the vacuum housing 1 radiation exit window 8 , which were arranged at 90 ° angles from each other. Only three radiation exit windows 8 are visible in FIG. 1.

Im Falle der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind die Strah lenaustrittsfenster 8 aus glasartigem Kohlenstoff gebildet und in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise mit dem beispiels weise aus Kupfer gebildeten Grundkörper 2 durch Löten, siehe Lötnaht 9, vakuumdicht verbunden. Zur Erzielung einer quali tativ hochwertigen Lötverbindung ist der glasartige Kohlen stoff im Bereich der Lötverbindung zunächst mit einer Schicht 10 eines Karbidbildners, z. B. Titan, versehen, die durch Sputtern oder ein ähnliches Verfahren aufgebracht ist. Auf diese Schicht 10 ist eine metallische Beschichtung 11 aus einem Werkstoff, der gut mit dem Werkstoff des Grundkörpers 2 lötbar ist, beispielsweise Kupfer, aufgebracht, die z. B. durch Sputtern, durch Aufdampfen oder auf galvanischem Wege erzeugt ist.In the case of the X-ray tube according to the invention, the beam exit windows 8 are formed from glass-like carbon and are connected in the manner shown in FIG. 2 to the base body 2, for example made of copper, by soldering, see soldering seam 9 , vacuum-tight. To achieve a qualitatively high-quality solder joint, the glassy carbon is first in the area of the solder joint with a layer 10 of a carbide former, for. B. titanium provided, which is applied by sputtering or a similar method. On this layer 10 , a metallic coating 11 made of a material that can be easily soldered to the material of the base body 2 , for example copper, is applied. B. is generated by sputtering, by vapor deposition or by galvanic means.

Alternativ besteht in der in Fig. 3 veranschaulichten Weise die Möglichkeit, auf die Schicht 10 eines Karbidbildners zu verzichten und statt dessen das Strahlenaustrittsfenster 8 in dem Bereich, auf den die metallische Beschichtung 11 aufge bracht ist, vor dem Aufbringen der Beschichtung aufzurauhen.Alternatively, in the manner illustrated in FIG. 3, it is possible to dispense with the layer 10 of a carbide former and instead to roughen the radiation exit window 8 in the area to which the metallic coating 11 is applied before the coating is applied.

Die Röntgenröhre gemäß Fig. 4 weist ein im wesentlichen aus Glas gebildetes Vakuumgehäuse 12 auf, das eine zwei Glühwen deln 13, 14 aufweisende Kathodenanordnung 15 und eine dieser gegenüberliegend angeordnete Anode 16 aufweist.The X-ray tube according to FIG. 4 has a vacuum housing 12 formed essentially of glass, which has a two bulbs 13 , 14 having a cathode arrangement 15 and an anode 16 arranged opposite this.

Wird in nicht dargestellter Weise einer der Glühwendeln 13 oder 14 ein Versorgungsstrom zugeführt und die Röhrenspannung zwischen Kathodenanordnung 15 und Anode 16 angelegt, geht von der beheizten Glühwendel 13 oder 14 ein Elektronenstrahl aus, der im Brennfleck auf die Auftrefffläche 17 der Anode 16 auf trifft. Die von dem Brennfleck ausgehende Röntgenstrahlung verläßt das Vakuumgehäuse 12 durch dessen Wandung, die in diesem Bereich nicht mit einem Strahlenaustrittsfenster ver sehen ist, da das Vakuumgehäuse 12 hier aus Glas gebildet ist.If, in a manner not shown, one of the filaments 13 or 14 is supplied with a supply current and the tube voltage is applied between the cathode arrangement 15 and the anode 16 , the heated filament 13 or 14 emits an electron beam which strikes the impact surface 17 of the anode 16 in the focal spot. The X-ray radiation emanating from the focal spot leaves the vacuum housing 12 through its wall, which is not seen in this area with a radiation exit window, since the vacuum housing 12 is formed here from glass.

Die Auftrefffläche 17 ist von einem rohrförmigen Ansatz 18, der sogenannten Anodenhaube, umgeben, der dazu dient, Streu elektronen und Röntgenstrahlen, die nicht die Nutzstrahlung darstellen, einzufangen. Damit die Röntgenstrahlung nicht durch den Ansatz 18 geschwächt wird, weist dieser eine etwa kreisförmige Austrittsöffnung 19 für die Röntgenstrahlung auf. Um zu verhindern, daß außer der Röntgenstrahlung auch rückgestreute Elektronen durch die Austrittsöffnung 19 treten und eine unerwünschte elektrische Aufladung der Wandung des Vakuumgehäuses 12 bewirken, ist die Austrittsöffnung 19 durch einen Streuelektronenfänger 20 aus glasartigem Kohlenstoff verschlossen, der im Falle des dargestellten Ausführungsbei spiels als dünnwandiger, sphärisch gekrümmter, scheibenförmi ger Körper ausgebildet ist. The impact surface 17 is surrounded by a tubular extension 18 , the so-called anode hood, which serves to capture scattering electrons and X-rays, which do not represent the useful radiation. So that the X-ray radiation is not weakened by the attachment 18 , this has an approximately circular outlet opening 19 for the X-ray radiation. In order to prevent backscattered electrons from passing through the outlet opening 19 and causing undesirable electrical charging of the wall of the vacuum housing 12 , the outlet opening 19 is closed by a scattering electron collector 20 made of vitreous carbon, which in the case of the exemplary embodiment shown is more thin-walled , spherically curved, disc-shaped body is formed.

Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, ist die Scheibe 20 in der Austrittsöffnung 19 mittels eines metallischen Federringes 21 mechanisch gehalten.As can be seen from FIG. 5, the disk 20 is mechanically held in the outlet opening 19 by means of a metallic spring ring 21 .

Die Dicke des Strahlenaustrittsfensters 8 bzw. der Scheibe 20 beschränkt sich auf dasjenige Maß, das erforderlich ist, um den auftretenden mechanischen Belastungen standzuhalten, die im Falle des Strahlenaustrittsfensters 8 aus der Druckdiffe renz zwischen Innen- und Außendruck sowie thermischen Bean spruchungen und im Falle der Scheibe im wesentlichen nur aus thermischen Beanspruchungen resultieren.The thickness of the radiation exit window 8 or the disk 20 is limited to that which is necessary to withstand the mechanical loads that occur in the case of the radiation exit window 8 from the pressure difference between internal and external pressure and thermal stress and in the case of Washer essentially result only from thermal stresses.

Die Erfindung wird vorstehend am Beispiel zweier Festanoden- Röntgenröhren beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch bei Drehanoden-Röntgenröhren zum Einsatz kommen. Außerdem können im Rahmen der Erfindung anstelle von Strahlenaustrittsfen stern und Streustrahlenfängern auch andere im Strahlengang der Röntgenstrahlung befindliche, dünnwandige Körper aus glas artigem Kohlenstoff gebildet sein.The invention is described above using the example of two fixed anode X-ray tubes described. However, the invention can also Rotating anode X-ray tubes are used. You can also in the context of the invention instead of radiation exit fen star and anti-scatter beams also others in the beam path X-ray radiation, thin-walled body made of glass be formed like carbon.

Claims

1. X-ray tube with a glass-like carbon formed by the pyrolysis of non-meltable plastic, arranged in the path of propagation of the X-ray radiation, inserted into the vacuum housing ( 1 ), thin-walled radiation exit window ( 8 ).

2. X-ray tube according to claim 1, the vacuum housing ( 1 ) is formed from a metallic material and the radiation exit window ( 8 ) with the vacuum housing ( 1 ) is connected by soldering.

3. X-ray tube according to Claim 1 or 2, in which a thin-walled body formed from the pyrolysis of infusible plastic, glasar term carbon formed in the interior of the vacuum housing ( 1 ) is attached as a scattering electron catcher ( 20 ) in the path of the x-ray radiation.

4. X-ray tube according to claim 3, the scattering electron catcher ( 20 ) mechanically attached to another construction part ( 18 ) of the X-ray tube.