DE19845755C2

DE19845755C2 - X-ray window made of glassy carbon

Info

Publication number: DE19845755C2
Application number: DE19845755A
Authority: DE
Inventors: Erich Hell; Manfred Fuchs; Detlef Mattern; Peter Schardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: DE19845755A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Röntgenfenster für Vakuum röhren oder Röntgenbildverstärker mit einem aus glasartigem Kohlenstoff gebildeten, im Ausbreitungsweg der Röntgenstrah lung angeordneten, dünnwandigen Körper.The invention relates to an X-ray window for vacuum tubes or X-ray image intensifier with a glass-like one Carbon formed in the X-ray path of propagation arranged thin-walled body.

Röntgenfenster für Vakuumröhren haben die Aufgabe, zusammen mit dem restlichen Vakuumkessel, die Röhre vakuumdicht abzu schließen und gleichzeitig die Röntgenstrahlung beim Durch dringen des Fensters möglichst wenig zu schwächen. Durchtritt Röntgenstrahlung eine Materie der Kernladungszahl Z, dann wird diese entsprechend dem energieabhängigen Massenschwä chungskoeffizienten µ(Z; E) in Abhängigkeit der Materialdicke d geschwächt. Mathematisch wird dies durch die relative In tensität I(d)/I₀ = e^-µ.d beschrieben. Dabei gilt die Faustregel: je höher die Kernladungszahl und je dicker das Material des Fensters ist, um so mehr wird die Intensität der Röntgen strahlung geschwächt. Auf der anderen Seite muß bei einem Va kuumbauteil dieses dem atmosphärischen Druck standhalten, so daß die Forderungen dünne Materialdicke und Druckbeständig keit konträre Ziele sind.X-ray windows for vacuum tubes have the task, together with the rest of the vacuum vessel, to close the tube in a vacuum-tight manner and at the same time to weaken the X-rays as little as possible when they penetrate the window. If X-rays pass through a matter of atomic number Z, then this is weakened according to the energy-dependent mass weakening coefficient µ (Z; E) depending on the material thickness d. This is described mathematically by the relative intensity I (d) / I ₀ = e ^-µ.d . The rule of thumb applies: the higher the atomic number and the thicker the material of the window, the more the intensity of the X-rays is weakened. On the other hand, with a Va kuumbauteil this must withstand the atmospheric pressure, so that the requirements of thin material thickness and pressure resistance are contrary objectives.

Neben dünn geschliffenem Glas als Strahlenaustrittsfenster von Röntgenröhren hat man bisher auch beispielsweise Materia lien wie Beryllium (Z = 3) oder Materialien mit höherer Kern ladungszahl wie Aluminium und Titan verwendet. Beryllium hat zwar eine kleine Kernladungszahl, ist jedoch von der Bearbei tung her sehr aufwendig (giftig). Die anderen vorstehend er wähnten Materialien sind wegen ihrer höheren Kernladungszahl nur bedingt als Röntgenfenster geeignet, da bei ihnen eine erhöhte Absorption auftritt, die in Verbindung mit der für die Vakuumdichtigkeit erforderlichen Wandstärke die Röntgen strahlung zu stark schwächen würde. Bei Röntgenbildverstär kern sind die Strahleneintrittsfenster beispielsweise aus ei nem Aluminiumblech oder einer Titanfolie gebildet.In addition to thinly cut glass as a radiation exit window X-ray tubes, for example, have also been used for materia like beryllium (Z = 3) or materials with a higher core charge number such as aluminum and titanium used. Has beryllium Although a small atomic number, it is from processing tion very expensive (toxic). The others above he mentioned materials are because of their higher atomic number only partially suitable as an X-ray window, since they have a increased absorption occurs in connection with that for the vacuum tightness required wall thickness the x-ray radiation would weaken too much. With X-ray image intensification At the core, the radiation entry windows are made of egg, for example Nem formed aluminum sheet or a titanium foil.

Neben diesen Röntgenfenstern ist aus der DE 196 38 150 A1 auch bereits eine Ausbildung eines Röntgenfensters der ein gangs beschriebenen Art bekannt geworden, bei der ein dünn wandiger Körper aus einem glasartigen Kohlenstoff (Z = 6) verwendet wird. Ein derartiger, glasartiger Kohlenstoff kann in jeder beliebigen Form, etwa durch Spritzgußtechnik mit an schließender thermischer Behandlung in einem Ofen kostengün stig als Massenprodukt hergestellt werden. Die so hergestell ten Röntgenfenster in den verschiedensten Dicken von 0,3 mm bis einigen Millimetern sind dennoch mechanisch sehr stabil. Um die Maßhaltigkeit zu erreichen, können die zu bearbeiten den Flächen geschliffen werden, und schließlich ist es auch sehr einfach möglich, derartige Fenster aus einem glasartigen Kohlenstoff durch Metallisierung der entsprechenden Flächen mit angrenzenden Materialien zu verlöten oder zu verschwei ßen.In addition to these X-ray windows, DE 196 38 150 A1 also already training an x-ray window of a gangs described become known in which a thin walled body made of a glassy carbon (Z = 6) is used. Such a glassy carbon can in any shape, such as injection molding technology closing thermal treatment in an oven cost-effective stig be mass-produced. The so made X-ray windows in various thicknesses of 0.3 mm up to a few millimeters are mechanically very stable. To achieve dimensional accuracy, you can edit them the surfaces are sanded, and finally it is very easily possible, such windows from a glass-like Carbon by metallizing the corresponding areas to be soldered or welded to adjacent materials eat.

Die Schwierigkeit bei derartigen Fenstern aus glasartigem Kohlenstoff liegt darin, daß der einen Gas-Permeabilitäts koeffizienten von etwa 10^-9 bis 10^-11 cm²/s aufweist. Dies würde bei einer Fläche von 300 cm² und bei einer Wandstärke von 2 mm innerhalb von 200 Tagen zu einem Druckanstieg auf etwa 3 mbar bzw. 0,03 mbar führen.The difficulty with such windows made of glassy carbon is that it has a gas permeability coefficient of about 10 ^-9 to 10 ^-11 cm ² / s. With an area of 300 cm ² and a wall thickness of 2 mm, this would lead to a pressure increase to about 3 mbar or 0.03 mbar within 200 days.

Im Zusammenhang mit einem aus Beryllium gebildeten Strahlen eintrittsfenster eines zur Messung der Energie von röntgen- und energiearmen Gammastrahlen dienenden Meßkopfes ist es aus der DD 147 287 bekannt, das Strahleneintrittsfenster an sei ner Außenseite mit einer Schutzschicht zu versehen, die aus einem gegenüber der Wirkung von Feuchtigkeit und sonstigen im Bereich des Meßkopfes vorkommenden, chemischen aktiven Sub stanzen beständigen Material gebildet ist.In connection with a ray formed from beryllium entrance window one for measuring the energy of x-ray and low-energy gamma rays serving measuring head is over DD 147 287 known that the radiation entry window was on to provide a protective layer on the outside one against the effect of moisture and other im Area of the measuring head occurring chemical active sub stamping resistant material is formed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Röntgen fenster der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die für Vakuumröhren notwendige Gasdichtigkeit gegeben ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß dem dünnwandigen Körper eine ihn wenigstens einseitig vollständig überdeckende Einrichtung zur Verringerung der Gas-Permeabili tät zugeordnet ist.The invention is therefore based on the object of an x-ray Window of the type mentioned so that the necessary gas tightness is given for vacuum tubes. For According to the invention, this object is achieved in that the thin-walled body one him at least completely on one side covering device for reducing the gas permeabili activity is assigned.

Diese Einrichtung zur Verringerung der Gas-Permeabilität kann entweder eine auf die Vakuumseite des dünnwandigen Körpers aufgebrachte, dünne Metallschicht oder eine auf die Außenseite aufgebrachte Isolierlackschicht od. dgl. sein. Die Kombina tion aus einem dünnwandigen Körper aus glasartigem Kohlen stoff mit einer dünnen Metallschicht aus einem Material, das eine höhere Kernladungszahl besitzt und demzufolge an sich die Röntgenstrahlung in unerwünschtem Maße schwächen würde, hat dabei den Vorteil, daß die Metallschicht zur Erzielung der gewünschten, geringen Permeabilität so dünn sein kann, daß sie zur Strahlungsabsorption nicht wesentlich beiträgt. Die mechanische Festigkeit, gleichzeitig in Verbindung mit gerin ger Röntgenstrahlungsabsorption, gewährleistet der dünnwandi ge Körper aus glasartigem Kohlenstoff.This device for reducing gas permeability can either one on the vacuum side of the thin-walled body applied thin metal layer or one on the outside applied insulating varnish layer or the like. The Kombina tion from a thin-walled body made of glassy coal fabric with a thin metal layer made of a material that has a higher atomic number and consequently per se the x-rays would weaken to an undesirable extent, has the advantage that the metal layer to achieve the desired low permeability can be so thin that it does not contribute significantly to radiation absorption. The mechanical strength, combined with gerin x-ray absorption, ensures the thin-walled Glass-like carbon body.

Alternativ kann zur Verringerung der Gas-Permeabilität des Röntgenfensters auch vorgesehen sein, daß der dünnwandige Körper aus glasartigem Kohlenstoff außenseitig von einem Kühlmittel, insbesondere Isolieröl, umströmt ist. Durch dieses Umströmen mit einem vorzugsweise noch zusätzlich entgasten Isolieröl ist wegen des fehlenden Gasangebots auf der Außen seite des Röntgenstrahlungsfensters trotz der recht hohen Gas-Permeabilität des glasartigen Kohlenstoffs eine uner wünschte Verschlechterung des Vakuums der Röhre nicht zu be fürchten.Alternatively, to reduce the gas permeability of the X-ray window can also be provided that the thin-walled Glassy carbon body outside of one Coolant, especially insulating oil, flows around. Because of this Flow around with a preferably additionally degassing Insulating oil is on the outside because of the lack of gas side of the X-ray window despite the quite high Gas permeability of vitreous carbon is an essential did not wish to worsen the vacuum of the tube to fear.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Röntgenfensters ge stattet es, den an sich sehr vorteilhaften, glasartigen Koh lenstoff für eine ganze Reihe von Einsatzfällen zu verwenden. Neben der Ausbildung eines Röntgenfensters in konventioneller Form für eine herkömmliche Röntgenröhre oder einen Strahler kann ein solcher glasartiger Kohlenstoff auch für Drehkolben strahler mit Ringfenstern eingesetzt werden, die in einen Va kuumkolben eingearbeitet sind. Darüber hinaus wäre es aber auch möglich, daß der dünnwandige Körper aus glasartigem Koh lenstoff den gesamten Vakuumkolben (ohne Isolierkeramik und ohne Anode) einer Drehkolbenröhre bildet. Geeignet ist ein erfindungsgemäßes Röntgenfenster auch als Vakuumeingangsfen ster eines Bildverstärkers oder als Träger der Röntgenabsor berschicht eines Bildverstärkers.The inventive design of an X-ray window ge it allows the very advantageous, glassy Koh to be used for a whole range of applications. In addition to the formation of an X-ray window in conventional Mold for a conventional X-ray tube or a radiator Such a glassy carbon can also be used for rotary lobes spotlights with ring windows are used, which in a Va vacuum pistons are incorporated. Beyond that it would be also possible that the thin-walled body made of glassy Koh the entire vacuum piston (without insulating ceramic and without anode) of a rotary lobe. A is suitable X-ray window according to the invention also as a vacuum inlet ster of an image intensifier or as a carrier of the X-ray absorber overlay of an image intensifier.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung, die einen Schnitt durch eine Drehkolbenröhre mit einem erfindungsgemäßen Rönt genfenster zeigt.Further advantages, features and details of the invention he give themselves an execution from the following description Example and based on the drawing, a section by a rotary lobe with an X-ray according to the invention window shows.

Mit 1 ist die Vakuumhülle eines Drehkolbenstrahlers bezeich net, in dem in üblicher Weise eine mit Fokussierungs- und Ab lenkeinrichtungen versehene Kathode 2 und dieser gegenüber liegend eine massive Anode 3 angeordnet sind. Die Vakuumhülle mit der Kathode 2 und der Anode 3 rotiert innerhalb eines me tallischen Strahlergehäuses 4 in Lagern 5 und 6. Bei M ist der äußere Antriebsmotor schematisch angedeutet.With 1 , the vacuum envelope of a rotary lobe emitter is referred to, in which a cathode 2 provided with focusing and steering devices is arranged in a conventional manner and a massive anode 3 is arranged opposite to it. The vacuum envelope with the cathode 2 and the anode 3 rotates within a metallic radiator housing 4 in bearings 5 and 6 . At M the outer drive motor is indicated schematically.

Erfindungsgemäß ist die Ausbildung so getroffen, daß in die Vakuumhülle 1 im Bereich der Anode 3 ein als Ringfenster aus gebildetes Röntgenfenster 7 in Form eines dünnwandigen Ring körpers aus glasartigem Kohlenstoff eingebaut ist. Dieser dünnwandige Körper kann auf der Innenseite, also vakuumsei tig, zusätzlich mit einer dünnen Metallschicht versehen sein. Stattdessen kann aber auch vorgesehen sein, daß er außensei tig von einer Isolierlackschicht überdeckt ist.According to the invention, the design is such that in the vacuum envelope 1 in the region of the anode 3, an X-ray window 7 formed as a ring window in the form of a thin-walled ring body made of vitreous carbon is installed. This thin-walled body can also be provided with a thin metal layer on the inside, ie on the vacuum side. Instead, it can also be provided that it is covered on the outside by an insulating varnish layer.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Beschichtun gen aber nicht unbedingt erforderlich, da die notwendige Ein richtung zur Verringerung der Gas-Permeabilität des aus glas artigem Kohlenstoff bestehenden Röntgenfensters 7 vorliegend durch das Umströmen des Fensters mit dem Kühlmittel, insbe sondere Isolieröl, gewährleistet ist.In the illustrated embodiment, both coatings are not absolutely necessary, since the necessary device to reduce the gas permeability of the glass-like carbon X-ray window 7 present by the flow of the window with the coolant, in particular special insulating oil, is guaranteed.

Dabei ist der Innenraum zwischen der Vakuumhülle 1 und dem Strahlergehäuse 4 nicht einfach mit einem Kühlmittel, insbe sondere Isolieröl, gefüllt, sondern in diesem Raum ist noch ein spezieller Kühlmittelleitkörper 8 angeordnet, der ledig lich einen Innenspalt 9 längs der Vakuumhülle und einen Au ßenspalt 10 an der Innenseite des Strahlergehäuses freiläßt. The interior between the vacuum envelope 1 and the radiator housing 4 is not simply filled with a coolant, in particular special insulating oil, but a special coolant guide body 8 is arranged in this space, which only has an inner gap 9 along the vacuum envelope and an outer gap 10 leaves free on the inside of the spotlight housing.

Der Außenspalt 10 ist durch achsnahe, vorzugsweise als Boh rungen im Kühlmittelleitkörper ausgebildete Verbindungslei tungen 11, die in einem zur Drehwelle konzentrischen Zuführ kanal 12 einmünden, mit dem Innenspalt 9 im Bereich der Anode verbunden. Durch Verbindungsleitungen 13 im Kühlmittelleit körper wird das entlang der Außenfläche 14 der Anode 3 und anschließend entlang der Vakuumhülle einströmende Kühlmittel auf der den Zuläufen 11 abgelegenen Stirnseite wieder in den Außenspalt zwischen Kühlmittelleitkörper 8 und Strahlergehäu se 4 geleitet. Dabei kann - wie es in der Zeichnung darge stellt ist - vorgesehen sein, daß die Verbindungsleitungen 13 in das Kathodenrohr 15 einmünden und von dort das Kühlmittel in der Rotationsachse nach außen weitergeleitet wird. Durch zweckentsprechende, in der schematischen Zeichnung nicht im einzelnen dargestellte Formgebung, insbesondere der Innenwand des Kühlmittelleitkörpers aus zwei in der Längsmittelebene geteilten Halbschalen, läßt sich eine ungleichmäßige Druck verteilung im Kühlmittel erzielen, die ohne gesonderte Pumpen einen Zwangsumlauf dergestalt gewährleistet, daß das Kühlmit tel von dem Zulaufverbindungsleitungen 11 und 12 entlang der Anode 3 und der Vakuumhülle 1 mit dem aus glasartigem Kohlen stoff bestehenden Röntgenfenster 7 zu den Ablauf-Verbindungs leitungen 13 und dann innerhalb des Außenspaltes 10 wieder zurück zu den Zulaufverbindungsleitungen 11 gefördert wird.The outer gap 10 is connected to the inner gap 9 in the region of the anode by axially proximate, preferably formed as lines in the coolant guide connecting lines 11 , which open into a feed channel 12 concentric with the rotary shaft. Through connecting lines 13 in the coolant guide body, the inflow of coolant flowing along the outer surface 14 of the anode 3 and then along the vacuum envelope on the end face remote from the inlets 11 is passed back into the outer gap between the coolant guide body 8 and the radiator housing 4 . It can - as it is shown in the drawing Darge - provided that the connecting lines 13 open into the cathode tube 15 and from there the coolant in the axis of rotation is passed on to the outside. Appropriate shaping, not shown in detail in the schematic drawing, in particular the inner wall of the coolant guide body from two half-shells divided in the longitudinal center plane, enables an uneven pressure distribution in the coolant to be achieved, which ensures a forced circulation without separate pumps in such a way that the coolant tel the inlet connection lines 11 and 12 along the anode 3 and the vacuum envelope 1 with the glass-like carbon X-ray window 7 to the drain connection lines 13 and then within the outer gap 10 back to the inlet connection lines 11 is promoted.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbei spiel beschränkt. Neben der Möglichkeit des Aufbringens dünn wandiger Metallschichten auf der Vakuumseite oder einer Iso lierlackschicht auf der Außenseite des das Röntgenfenster 7 bildenden dünnwandigen Körpers aus glasartigem Kohlenstoff lassen sich derartige Röntgenfenster auch für andere Typen von Röhren und insbesondere auch für Röntgenbildverstärker verwenden.The invention is not limited to the game shown Ausführungsbei. In addition to the possibility of applying thin-walled metal layers on the vacuum side or an insulating varnish layer on the outside of the thin-walled body made of vitreous carbon forming the X-ray window 7 , such X-ray windows can also be used for other types of tubes and in particular also for X-ray image intensifiers.

Claims

1. X-ray window for vacuum tubes or X-ray image intensifiers with a thin-walled body formed from glass-like carbon, arranged in the expansion path of the X-rays, characterized in that the thin-walled body has a device that at least completely covers it on one side to reduce the gas permeability of the X-ray window ( 7 ). assigned.

2. X-ray window according to claim 1, characterized ge indicates that on the thin-walled body a thin metal layer is applied on the vacuum side.

3. X-ray window according to claim 1 or 2, characterized characterized in that on the thin-walled Kör insulation on the outside of the vacuum lacquer layer is applied.

4. X-ray window according to one of claims 1 to 3, there characterized in that the thin wall body on the outside facing away from the vacuum with egg Nem coolant, especially insulating oil, flows around.

5. X-ray window according to one of claims 1 to 4, there characterized in that the thin wall body the entire vacuum piston of a rotary lobe forms.