DE19800766C1 - Elektronenstrahlröhre mit hoher Lebensdauer bei höchsten Strömen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlröhre mit hoher Lebensdauer bei höchsten Strömen, insbesondere auf eine Röntgen­ röhre, mit einer in einem Vakuumgehäuse angeordneten indirekt geheizten Kathode.

In Schweißanlagen oder in Röntgenröhren für die Material­ untersuchung benötigt man über viele Tage oft sehr hohe Ströme bis zu 1000 mA. Da die Lebensdauer reziprok zu dem Kathodenstrom ist, unterscheiden sich diese Elektronenkanonen von dem aus der medizinischen Röntgentechnik bekannten Auf­ bau. Wünschenswert wäre es aber, daß man solche Elektronen­ strahlröhren derart konzipiert, daß beispielsweise medizini­ sche Drehanodenröhren auch für technische Anwendungen zur Materialuntersuchung einsetzbar sind, indem die Kathoden für eine entsprechende Dauerleistung ausgelegt sind.

Es gibt bereits handelsübliche Röntgenröhren mit direkt ge­ kühlter Drehanode, die Ferrofluiddichtungen einsetzen. Diese haben kein abgeschlossenes Vakuum, sondern müssen ständig ge­ pumpt werden. Lange Betriebszeiten erreicht man bei diesen Systemen durch Kathodenwechsel, was aber bei einem abge­ schlossenen Vakuumsystem wie dem einer Drehkolbenröhre ent­ sprechend der nicht vorveröffentlichten DE 196 31 899 A1, bei der je nach Kühl­ medium die in der Materialprüfung geforderte Dauerleistung hinsichtlich der Anodenbelastung ohne weiteres erreicht wer­ den könnte, bisher nicht möglich ist. Lebensdauern einer Ka­ thode von über 1000 Betriebsstunden sind bei Strömen von 1000 mA bisher nicht realisiert worden.

Aus der US 4 993 055 ist eine Röntgenröhre bekannt, die eine indirekt beheizte Kathode aufweist, wobei sowohl die Emissi­ onsfläche der Kathode als auch der der Emissionsfläche zuge­ ordnete Heizer innerhalb des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre angeordnet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektro­ nenstrahlröhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß selbst bei höchsten Belastungen extrem lange Lebensdauern der Kathoden gegeben sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Emissionsfläche der Kathode direkt innen an der Wandung des Vakuumgehäuses und der Hetzer außerhalb des Vakuumgehäu­ ses in einem gesonderten evakuierbaren Heizer-Gehäuse ange­ ordnet sind.

Die erfindungsgemäße Verlagerung des Heizers aus dem die Ka­ thode umgebenden Vakuumgehäuse heraus in ein gesondertes Hei­ zer-Gehäuse ermöglicht einen sehr viel einfacheren Austausch des die Lebensdauer der Kathode bei hohen Belastungen beson­ ders stark eingrenzenden Heizers. Das Öffenen des Vakuumge­ häuses einer Röntgenröhre nur zum Austausch der Kathode ist außerordentlich aufwendig und führt zu einer Beeinträchtigung einer Reihe weiterer Komponenten, so daß dieser Weg eines Ka­ thodenwechsels in der Praxis praktisch nicht gangbar ist.

Demgegenüber läßt sich ein kleines Heizer-Gehäuse relativ problemlos am Vakuumgehäuse der Elektronenstrahlröhre dich­ tend befestigen und zum Heizeraustausch wieder lösen und auch ebenso problemlos nach der dichtenden Befestigung wieder eva­ kuieren.

Mit besonderem Vorteil kann dabei vorgesehen sein, daß das Heizer-Gehäuse mit dem herausragenden Heizer an dem einen einragenden Kathodentopf umgebenden Hochspannungsisolator des Vakuumgehäuses lösbar dichtend befestigbar ist. Beim Befesti­ gen des Heizergehäuses am Vakuumgehäuse kommt der Heizer, der bevorzugt als flacher Rundstrahlemitter, vorzugsweise direkt geheizter Flachemitter mit zwei am Umfangsrand angeordneten Anschluß­ fahnen für die Heizstromführung, dessen Emissionsfläche durch Schnitte in Leiterbahnen unterteilt ist, ausgebildet ist, in unmittelbarer Nähe in geringem Abstand hinter dem die Emissionsfläche bildenden Boden des Kathodentopfs zu liegen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Heizer und dem Kathodentopf werden die aus dem Heizer austretenden Elektro­ nen gegen den die Emissionsfläche bildenden Boden des Katho­ dentopfs beschleunigt und bewirken dadurch die gewünschte Aufheizung.

Mit besonderem Vorteil soll der Kathodentopf, zumindest im Bereich seines einspringenden, die Emissionsfläche der Kathode bildenden Bodens, aus Wolfram bestehen.

Die Materialauswahl und die Wandstärke des Kathodentopfes sind dabei so gewählt, daß bei möglichst kleiner Wärmelei­ stung eine ausreichende Festigkeit und Vakuumdichtigkeit ge­ geben ist. Dabei muß ein Kompromiß zwischen den widerstreben­ den Anforderungen gefunden werden, da die Festigkeit und Dichtigkeit des Kathodentopfes mit zunehmender Wandstärke an­ steigt, während mit zunehmender Wandstärke gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit zunimmt, die aber schon deshalb begrenzt werden muß, da ansonsten die hohe Temperaturdifferenz zwi­ schen der Emissionsfläche der Kathode und der Außentemperatur nicht vernünftig aufrechterhalten werden kann. Während die Temperatur der Emissionsfläche der Kathode ca. 2500°C betra­ gen kann, stehen an der Außenseite des Bodens des Vakuumge­ fäßes allenfalls Temperaturen von 80 bis 100°C an. Durch ent­ sprechende Materialauswahl läßt es sich aber erreichen, daß bei einer Ausbildung des Kathodentopfs mit Wandstärken, die die notwendige Festigkeit und Vakuumdichtigkeit besitzen, die Wärmeleitung noch ausreichend klein ist.

Die Dichtverbindung zwischen dem Heizer-Gehäuse und dem Vaku­ umgehäuse der Elektronenstrahlröhre kann in unterschiedlicher Weise, beispielsweise auch unter Verwendung von speziellen Dichtungen erzielt werden. Eine besonders ein­ fache und gleichwohl dichte Verbindung, die auch ohne allzu großen Aufwand das Wiederlösen für den Heizeraustausch ermög­ licht, ergibt sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß am Hochspannungsisolator des Vakuumgehäuses und dem daran befestigbaren Flansch des Heizergehäuses aneinanderliegende, miteinander verlöt- oder verschweißbare Dichtkrägen befestigt sind. Diese möglichst gleitend aneinanderliegenden Dichtkrä­ gen werden jeweils am Stirnrand miteinander verlötet oder verschweißt. Bei einem Heizeraustausch wird der Dichtkragen­ rand abgetrennt, so daß das Heizer-Gehäuse mit dem Heizer aus dem ortsfesten Dichtkragen am Vakuumgehäuse herausgezogen werden kann. Nach dem Heizeraustausch werden die Teile wieder zusammengesteckt und die Dichtkrägen erneut miteinander ver­ lötet. Durch eine entsprechende Längenausbildung der Dicht­ krägen läßt es sich erreichen, daß der Dichtkragen mehrfach abgeschnitten werden kann und demzufolge ebenso ein mehr­ facher Heizerwechsel möglich ist.

In entsprechender Weise kann auch die gesonderte Evakuierung des Heizergehäuses gemäß einem weiteren Merkmal der vor­ liegenden Erfindung so ausgebildet sein, daß das Heizer-Ge­ häuse mit einer herausstehenden Pumpkapillare versehen ist, deren Länge ein mehrfaches dichtendes Abquetschen ermöglicht. Bei einem Heizerwechsel wird diese Pumpkapillare an der Quetschstelle abgeschnitten, sodaß erneut evakuiert werden kann. Nach dem Evakuieren wird wieder erneut abgequetscht. Durch entsprechende Längenausbildung der herausstehenden Pumpkapillare läßt sich dieser Vorgang mehrfach durchführen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung, die einen schema­ tischen Schnitt durch das Vakuumgehäuse einer Drehkolbenrönt­ genröhre darstellt.

Das das Vakuumgehäuse umgebende Kühlge­ häuse mit der zwischen dem Vakuumgehäuse und dem Kühlgehäuse angeordneten Kühlflüssigkeit ist vorliegend nicht dargestellt, da dieser Aufbau hinrei­ chend bekannt ist. In der vor­ liegenden Anmeldung geht es ja ausschließlich um die beson­ dere Art der Ausbildung der hochbelastbaren Kathode mit hoher Lebensdauer.

Im Hochspannungsisolator 1 des Vakuumgehäuses 2 mit der Anode 3 ist ein Kathodentopf 4, vorzugsweise aus Wolframblech, ein­ springend befestigt, dessen innenliegender Boden 5 die eigentliche Emissionsfläche für den durch den Wehneltzylinder 6 gegen die Anode 3 fokussierten Elektronenstrahl bildet. Der Heizer 7, im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines flachen Rundstrahlemitters, ist in einem gesonderten Heizer-Gehäuse 8 angeordnet, das so ausgebildet ist, daß beim Befestigen des Flansches 9 des Heizer-Gehäuses 8 am Boden des Vakuumgehäuses 2 der Flachemitter des Heizers 7 in geringem Abstand hinter dem Boden 5 des Kathodentopfs 4 liegt.

Nach der mechanischen Befestigung, die beispielsweise über einen Bajonettdrehver­ schluß stattfinden kann, erfolgt eine Abdichtung des Heizer­ gehäuses gegenüber dem Hochspannungsisolator 1 des Vakuumge­ häuses 2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies da­ durch realisiert, daß am Vakuumgehäuse 2 ein Dichtkragen 10 und am Flansch 9 des Heizergehäuses ein weiterer Dichtkragen 11 be­ festigt sind, die beim Zusammenstecken gleitend aneinander­ liegen. Im Bereich der freien Stirnkante 12 werden die beiden Dichtkrägen miteinander verlötet oder verschweißt. Zum Wie­ derabnehmen des Vakuumgehäuses wird diese Schweißnaht einfach durch einen Schnitt abgetrennt und anschließend kann erneut eine Versiegelung durch Verlöten oder Verschweißen erfolgen. Die Pumpkapillare 13 ermöglicht nach der dichten­ den Verbindung des Heizergehäuses mit dem Vakuumgehäuse 2 eine Evakuierung des Heizergehäuses. Die Abdich­ tung erfolgt hier durch Abquetschen des Endes der Pumpkapil­ lare längs der gestrichelt dargestellten Quetschstelle 14. Auch hier kann durch Abschneiden dieser Quetschstelle 14 die Pumpkapillare wieder zum Evakuieren herangezogen und an­ schließend ein Stückchen weiter innen erneut abgequetscht werden. Entsprechend das gleiche gilt schließlich auch für die Anordnung des auswechselbaren Heizers. Auch dieser wird nach dem Auswechseln wieder dichtend in der Durchführung 15 gehaltert.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbei­ spiel beschränkt. Entscheidend ist, daß der Heizer in einem vom Vakuumgehäuse der Röntgenstrahlröhre leicht lösbaren ge­ trennten Heizer-Gehäuse angeordnet ist, so daß zum Austausch des Heizers keine Belüftung des gesamten Vakuumgehäuses der Röntgenröhre erforderlich ist. Darüber hinaus kann die vaku­ umdichte Verbindung des Heizergehäuses mit dem Vakuumgehäuse der Röntgenstrahlröhre auch in anderer Weise erfolgen, bei­ spielsweise auch durch eine Schraubverbindung.

Claims (7)

1. Elektronenstrahlröhre, insbesondere Röntgenröhre, mit hoher Lebensdauer bei höchsten Strömen, mit einer in einem Vakuumgehäuse angeordneten indirekt geheizten Kathode, da­ durch gekennzeichnet, daß die Emissi­ onsfläche der Kathode direkt innen an der Wandung des Vakuum­ gehäuses (2) und der Heizer (7) außerhalb des Vakuumgehäuses (2) in einem gesondert evakuierbaren Heizer-Gehäuse (8) ange­ ordnet sind.

2. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizer-Gehäuse (8) mit dem über einen Befestigungsflansch (9) herausragenden Heizer (7) an einem einen einragenden Kathodentopf (4) umge­ benden Hochspannungsisolator (1) des Vakuumgehäuses (2) lös­ bar dichtend befestigbar ist.

3. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kathoden­ topf (4) zumindest im Bereich seines die Emissionsfläche der Kathode bildenden Bodens (5) aus Wolfram besteht.

4. Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hei­ zer-Gehäuse (2) mit einer herausstehenden Pumpkapillare (13) versehen ist, deren Länge ein mehrfaches dichtendes Abquet­ schen ermöglicht.

5. Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Hoch­ spannungsisolator (1) des Vakuumgehäuses (2) und dem daran befestigbaren Flansch (9) des Heizergehäuses (8) aneinander­ liegende, miteinander verlöt- oder verschweißtbare Dichtkrä­ gen (10, 11) befestigt sind.

6. Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hei­ zer (7) ein flacher Rundstrahlemitter ist.

7. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer ein direkt ge­ heizter Flachemitter mit zwei am Umfangsrand angeordneten An­ schlußfahnen für die Heizstromführung ist, dessen Emissions­ fläche durch Schnitte in Leiterbahnen unterteilt ist.