DE2042413A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen - Google Patents

Description

DIPL-ING. FIANZ WEIDERMANN 2042413 PAKMTANWAIT 2 HAMBURG 13, den ?* λ,,γ, }β7| INNOCENTIASTRASSE 30 " ''"''

TELEFON 452139

ία/ 70107 WDM/ef

Watkins-Johnson Company, Palo Alto, Kalif. (V.St.A.)

Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden Anmeldung in den Vereinigten Staaten, Serial Nr. 854,393 vom 2. September 1969 beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, wie beispielsweise eine Vakuumröhre mit einem Schirm aus einem Material, das beim Auftreffen von Elektronen mit hoher Energie Röntgenstrahlen entwickelt. Eine solche Vorrichtung oder Röntgenröhre ist besonders geeignet für Anwendungszwecke, die eine außergewöhnlich hohe Strahlungsstromstärke, zum Beispiel in der Größenordnung von 200 Milliampere, erfordert.

In einer Röntgenröhre werden Elektronen durch eine hohe, zwischen einer Kathode und einer Anode angelegte Spannung beschleunigt, derart, daß die Elektronen mit der Anode kollidieren. Sobald die Elektronen mit der Anode kollidieren, werden Röntgenstrahlen erzeugt.

109810/1688

In aller Regel erfolgt dieses Bombardement in einem sehr hohen Vakuum, wie es innerhalb der Umhüllungen gewöhnlicher Vakuumröhren hergestellt wird. Allerdings existieren innerhalb der Umhüllung begrenzte Mengen von Gas, so daß während des Betriebes der Röhre positiv geladene Ionen erzeugt werden. Diese Ionen werden naturgemäß unmittelbar von der negativ geladenen Kathode angezogen, fc bombardieren die Kathode und verursachen Erosion und Verschmutzung in einer Weise, die eine Begrenzung der Lebensdauer der bei Röntgenröhren angewendeten Kathoden zur Folge hat. Erosion und Verschmutzung nehmen bei Vergrößerung des Strahlungsstromes zwischen Kathode und Anode rasch zu.

Es ist zwar bekannt, daß Kathoden mit einem überzug bestimmter Oxyde eine in hohem Maß emissionsfähige Elektronenquelle darstellen, sie sind aber auch recht empfindlich und es ist zu erwarten, daß sie rasch infolge eines Ionenbombardements der beschriebenen Art zerstört werden.

Die üblichen Kathodenwerkstoffe mit größerer Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzung und Zerstörung wie Wolfram erfordern bekanntlich einen Betrieb mit beträchtlich hoher Leistung. Strahlungsströme in der Größenordnung von 100 bis 400 Milliampere waren daher bisher, wenngleich sie erwünscht waren, nur schwer, wenn überhaupt, zu erreichen.

. Diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäß bei einer

109810/1668

Vorrichtung der eingangs genannten Art durch eine Kathodenanordnung überwunden, die einen Elektronen emittierenden Teil aufweis.t, der negativ gegenüber dem Schirm aufgeladen werden kann, um einen Elektronenstrom von ihm aus zum Schirm fließen zu lassen, wobei Einrichtungen, welche dazu dienen, den Elektronenstrom als langgestreckten Hohlstrahl auszubilden, der auf den Schirm auftrifft, und eine Einrichtung vorgesehen sind, die eine Ionenauftreffzone innerhalb des Strahls im Bereich des erwähnten Kathodenteiles bildet, um den in den Strahl eintretenden Ionenstroß zu absorbieren, statt daß die Ionen auf den erwähnten Elektronen emittierenden Teil auftreffen.

Außerdem können gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung noch Einrichtungen vorgesehen sein, die dazu dienen, den Elektronenstrahl unter der Kontrolle eines ringförmigen Gitterelements pulsieren zu lassen, welches die Elektronen emittierende Teilfläche der Kathode umgibt.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich eine Röntgenröhre schaffen, die eine verstärkte Strahlungsstromeigenschaft aufweist, welche ohne Schaden für die Kathode um mehrere Größenordnungen vergrößert werden kann. Es kann eine Kathode mit Oxydüberzug vorgesehen werden, die einen zufriedenstellenden Betrieb für eine besonders lange Lebensdauer gewährleistet.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

1 0981 0/ 1 668

Pig. 1 zeigt eine Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form einer Röntgenröhre.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch diese Vorrichtung längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten einer solchen Vorrichtung, und zwar insbesondere den Zusammenhang zwischen Kathode und Gitter.

Fig. 5 ist eine weitere, in vergrößertem Maßstab dargestellte Einzelschnittansicht, welche schematisch den Zusammenhang zwischen Kathode und Gitter veranschaulicht.

Die Röntgenröhre 11 umfaßt eine längliche, evakuierte Umhüllung 12 aus Glas oder keramischem Material. Am einen Ende der Umhüllung 12 ist ein zylindrisch geformter, metallener Einsatz I^ aus einem Werkstoff wie Kovar vorgesehen, der einen dichten Abschluß mit Glas oder keramischem Stoff zu bilden vermag, wie er für die Umhüllung 12 verr wendet ist. Dieser Einsatz bildet eine Zugangsöffnung 14, in die ein Schirmaufbau l6 bei dichtem Abschluß eingesetzt werden kann.

Der Schirmaufbau l6 umfaßt einen zylindrischen Knopf 17, beispielsweise aus Wolfram, der mit Elektronen bombardiert werden kann, um Röntgenstrahlen zu bilden. Der Knopf ist mit einer ebenen Fläche l8 versehen, die quer zur Achse des Knopfes 17 liegt und unter einem Winkel von etwa 76 ° dazu ausgerichtet ist.

109810/1668

Der Knopf 17 ist durch Hartlöten im Innern des Metalleinsatzes IjJ befestigt, und an der Rückseite des Knopfs 17 ist ein Anodenanschlußstab 19 von entsprechender Bemessung angelötet. Der Stab 19 besteht vorzugsweise aus einem hoch warmeleitfähigen Material, so daß die Hitze von dem Knopf aus rasch zerstreut wird und er für diesen eine Wärmesenke bildet. Besteht die Umhüllung 12 aus Glas, so verhindert die Dünnwandigkeit und schlechte Wärmeleitfähigkeit der Kovarhülse 15 während des SchmelzVorgangs, daß Wärme im Übermaß an andere Teile des Aufbaues 16 verlorengeht. Zur gleichen Zeit kann aber der Stab 19 hoch wärmeleitfähig sein, um einen raschen Wärmeabfluß von dem Knopf 17 während des Betriebs der Röhre zu ermöglichen. Außerdem können Kühlrippen, -flügel oder -drähte an dem Stab 19 durch Anlöten oder dergl. angebracht werden, nachdem die Anordnung 11 vollständig vakuumdicht abgeschlossen ist.

Der Anschlußstab 19 kann an die positive Klemme einer Quelle besonders hoher Spannung, zum Beispiel in der Größenordnung von 40000 Volt, angeschlossen werden, so daß der Schirmaufbau 16 als Anode der Röhre 11 wirkt. Die andere Seite der Energiequelle 21 ist direkt über die Leitung 22 an eine Kathodenklemme 23 angeschlossen, die am andern Ende der Hülle 12 gehalten wird. Die Kathodenklemme 23 ist elektrisch mit der Kathodenanordnung 24 verbunden.

Dieee besteht aus einem zylindrischen Metallkörper 26, der einen keramischen Isolator in Form einer Sockelplatte trÄgt. Die Sookelplatte 27 wird innerhalb des Körpers 26

109310/1688

durch eine um die Hinterkante der Sockelplatte 27 auf einer Seite gebogene Haltelippe 28 auf einer Seite und auf der andern durch die konisch geformte, hohle Ringhülse 29 gehalten.

Koaxial zu der Sockelplatte 27 ist eine relativ dünne, zylindrische, wärmeisolierende Metallhülse 31 an einem vorstehenden Kragen 29a der Hülse 29 durch Punktschweißen befestigt. Sie trägt an ihrem andern Ende ein Gehäuse 32 für ein Heizelement 33, das mehrere Schraubenwindungen aufweist. Das Heizelement 33 ist durch Leitungen 34, 36, die durch den Sockel 27 hindurchgehen, mit den Anschlußstiften 37, 38 verbunden. Durch einen Niet 39 ist das innere Ende eines L-förmigen Schenkels 41 festgelegt, während eine Verbindungslasche 42 sich zwischen dem Schenkel 4l und dem Stift 37 erstreckt. Eine 6 Volt Energiequelle 43 oder eine andere passende Niederspannungsquelle kann zum Betrieb des Heizelements 33 benutzt werden.

Das innere Ende der Kathodenanordnung 24 trägt einen Elektronen emittierenden Teil, der negativ gegenüber dem Schirmbufbau l6 aufgeladen werden kann, um einen Elektronenstrom von dem emittierenden Teil der Kathode zu dem Schirm zu bilden. Der Elektronen emittierende Teil der Kathodenanordnung 24 umfaßt eine ringförmige Fläche mit einem Oxydbelag in Form der Randkante der Lippe 44 des Napfes 46. Der Napf 46 besteht aus einem Metall, auf dem ein Oxydbelag aus einem in hohem Maße Elektronen emittierendem Material wie Strontium, Kalzium oder Barium oder eine Mischung davon

109810/1668

in der Umgebung der Randkante 44 aufgedampft ist. Der Rest des Napfes 46 kann aus gewöhnlichem Kathodennickel bestehen.

Der Napf 46 sitzt eng in dem zylindrischen Ende des Gehäuses 32 in unmittelbarer Nachbarschaft des Heizelements 33· Eine-perforierte Dreieckplatte 47 ist mit einem Loch oder einer kreisförmigen Öffnung ausgebildet, die in dichtem Abstand den Endrand des Gehäuses 32 umfaßt. Die äußeren drei Ecken der Platte 47 sind, beispielsweise durch Punktschweißen, an den Lappen 48 am Ende des Korpers 26 befestigt.

Bei dieser Anordnung versteift die Dreieckplatte 47 das vordere Ende des Gehäuses 26. Sie dient außerdem zur Ausrichtung und Lageneinstellung mit engen Toleranzen für den Napf 46 mit seinem Elektronen emittierenden, ringförmigen Randteil 44.

Die Kante des Randes 44 bildet eine Elektronenstromung von der Kathodenanordnung 24 zum Schirmaufbau l6. Der Elektronen emittierende, mit einem Oxydbelag versehene Teil der Lippe 44 der Kathode ist in einer Weise nach dem Schirm hin gerichtet, so daß ein hohler, ringförmiger Elektronenstrahl gebildet wird.

Zur zusätzlichen Pocussierung des Strahls auf den Schirmaufbau l6 wird ein Gitter 49 durch Isolatoren 51 getragen, die an der Platte 47 und dem Gitter 49 befestigt sind, und zwar koaxial zu der mit einem Oxydbelag versehenen, Elektronen emittierenden Fläche der Randkante 44.

109810/1668

2IH2413

Das Gitter 49 weist relativ breite Flächenteile auf,, die quer zur Achse des Elektronenstrahls 50 liegen, und außerdem abgeschrägte Flächenteile, die dazu dienen, die emittierten Elektronen als Hohlstrahl von Elektronen auf den Schirm zu richten.

Somit umfaßt ein Gitterelement 49 eine ringförmige öffnung, bestehend aus drei bogenförmigen Kreisabschnitten 52 koaxial zur Mitte des Gitters 49. Zwischen je zwei benachbarten kreisbogenförmigen Abschnitten 52 verbleibt ein radialer Steg 53* der zum Halten des zentralen Ionenschirms 54 koaxial zum Gitter 49 dient.

Das Gitter 49 besteht vorzugsweise aus feuerfestem Material, so daß es einem fortgesetzten Bombardement durch Ionen, die während des Betriebs innerhalb der Umhüllung erzeugt werden, standhält.

Bei dieser Anordnung suchen die Ionen, wenn sie in den zentralen Teil des Elektronenstrahls 50 eingezogen

ψ werden, auf den Schirm 54 statt auf die Elektronen emittierende Randkante 44 zu treffen. Auf diese Weise wird die Lebensdauer der mit einem Oxydbelag versehenen, emittierenden Kante beträchtlich verlängert.

Das Gitter 49 beeinflußt die Elektronenemission des Strahls 50 und dient dazu, ihn als ringförmigen Hohlstrahl durch Focussaerungswirkung der Gitterflächen 49 von dem Napf 46 weg zu richten. Eine äußere, ringförmige Fläche fällt nach innen hin zum Zentrum des Gitters 49 bei einem Pierce-Winkel, beispielsweise von etwa 22,5 ° ab. Eine

109810/ 1 668

zweite Ringfläche 57 ist nach der entgegengesetzten Seite abgeschrägt, radial nach außen vom Zentrum des Gitters aus* bei einem gleichen oder ähnlichen Piercewinkel. Die beiden Flächen 56, 57 sind etwas voneinander entfernt, um die kreisförmige öffnung im Zentrum des Gitters 49 zu bilden, durch welche hindurch Elektronen von der Kathodenanordnung 24 aus emittiert werden.

Es sind ferner Einrichtungen vorgesehen, um das Gitter 49 auf das Kathodenpotential oder etwas darüber, falls es gewünscht wird, vorzuspannen und den Elektronenstrahl 50 pulsieren zu lassen.

Hierzu ist ein veränderlicher Widerstand 58 in die Leitung 22 eingebaut, um einen veränderbaren Spannungsabfall zwischen dem Potential auf der Leitung 22 (und demgemäß der Kathode 24) und dem Potential des Gitters einstellen zu können. Der Abgreifer 58a ist unmittelbar über eine Diode 59* die so gepolt ist, daß Strom zum Gitter 49 fließen kann, und über eine Leitung 6l angeschlossen (die zu einem der Stifte verläuft, die an dem Ende der Umhüllung 12 angeordnet sind). Die Leitung 6l führt, wie gezeigt, direkt zu dem Gitter 49.

Daher ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Gitter durch eine Einstellung am Widerstand 53 auf das Potential der Kathodenanordnung 24 oder auf einen veränderbaren Vorspannungszustand gebracht werden kann.

Bs sind Mittel vorgesehen, um die Arbeitewelse des Elektronenstrahls 50 pulsieren zu lassen oder zu modulieren.

109810/1618

2CK2413

Dies geschieht mit Hilfe des Impulsgenerators 62, der direkt in die Leitung 6l einschaltbar ist, so daß bei Anlegung eines Impulses an die Leitung 6l der Elektronenstrahl 50 duruh das Gitter 49 hindurch auf die Schirmanordnung 16 durchgelassen wird.

Im Betriebe wird, wenn angenommen wird, daß das Heizelement 33 an die Energiequelle 43 angeschlossen und die Kathode 24 mit der Energiequelle 21 verbunden wird, während die andere Seite der Energiequelle 21 an den Schirm l6 angelegt wird, ein ringförmiger, hohler Elektronenstrahl von den mit einem Oxydbelag versehenen Teilen des Napfes 46 weggerichtet, der auf die Wolframfläche des Knopfes 17 auftritt. Der Winkel der Oberfläche des Knopfs 17 gegenüber der Achse des Strahls 50 dient zur möglichst wirksamen Kleinhaltung der Absorption der Röntgenstrahlen durch die Anode in dem Bereich seitlich der Achse des Strahls 50. Die in dem Gas erzeugten, in der Umhüllung 12 verbleibenden Ionen werden positiv geladen und durch die Anziehung des Strahls 50 in das Innere des Strahls 50 beschleunigt, so daß sie den am meisten negativen Teil der Kathodenanordnung 24 suchen. Diese Ionen bombardieren dann den Ionenauftreffschirm, der durch die Fläche 57 innerhalb des Strahls 50 in der Zone des emittierenden Teils der Kathodenanordnung 24 gebildet ist. Somit dient die Fläche 57 zum Abfangen der in den Strahl 50 eingezogenen Ionen, statt sie auf die emittierende Randkante 44 des Napfs 46 der Kathode

109810/1661

2UUA

auftreffen zu lassen.

Das Potential am Gitter 49 gegenüber dem Potential des Elektronen emittierenden Teils 44 der Kathode 24 und auch der Piercewinkeleffekt der Schrägflächen 5öj 57 dienen zur Formung eines hohlen Strahls 50, der verschieden einstellbar i*st, um den Strahl 50 auf die Schrägfläche am Knopf 17 zu richten.

Es wurde gefunden, daß eine solche Anordnung es ermöglicht, einen um mehrere Größenordnungen höheren Strahlungsstrom zu erreichen, als dies mit den bisher üblichen Anordnungen möglich war, und daß eine besonders lange Lebensdauer erhalten wird, so daß die mit Oxydbelag versehene Kathode nicht vorzeitig verbraucht oder verschmutzt wird. Außerdem läßt sich der Strahlungsstrom verhältnismäßig leicht mit niedriger Spannung, etwa in der Größenordnung von 100 Volt, modulieren, im Gegensatz zu früheren Versuchen, bei denen als Steuerspannung für das Pulsieren des Strahls 40000 Volt zwischen Anode und Kathode gebraucht wurden.

109810/1668

Claims (1)

1. 2CU2413

   12
   Patentansprüche

   ( 1J Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen mit einem Schirm aus einem Material, das beim Auftreffen von Elektronen mit hoher Energie Röntgenstrahlen entwickelt, gekennzeichnet durch eine Kathodenanordnung (24), von der nur ein Teil (44) im gegenüber dem Schirm (l6) negativ aufgeladenen Zustand zur Emission von Elektronen dient, wobei Vorkehrungen getroffen sind, um den auf den Schirm (l6) auftreffenden Elektronenstrahl als langgestreckten Hohlstrahl (50) auszubilden, und eine Ionenauftreffzone (54) innerhalb des Strahles und des Elektronen emittierenden Teils (44) der Kathode vorgesehen ist, die dazu dient, den in den Strahl eintretenden Ionenstoß zu absorbieren, statt ihn auf den Elektronen emittierenden Teil der Kathode auftreffen zu lassen.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ^ daß der Elektronen emittierende Kathodenteil (44) mit einem Oxydbelag aus dem Oxyd eines zu der Gruppe Barium, Strontium und Kalzium gehörenden Stoffs versehen ist.

   J). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im negativ aufgeladenen Zustand Elektronen emittierende Teil (44) der Kathode (24) ringförmig gestaltet ist und daß in seiner Nachbarschaft ein Gitter (49) mit einer von dem Strahl durchsetzten öffnung angeordnet ist, das dazu dient, den Elektronenstrom zu beeinflussen und ihn auf den Schirm (l6) zu richten, und daß ein lonenschirm (54) zwischen der

   1 09810/ 1 668

   Kathode (24) und dem Schirm (l6) so angeordnet ist, daß er die in den Strahl (50) hinein angezogenen Elektronen von dem Elektronen emittierenden Teil (44) ablenkt und abfängt.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronen emittierende Teil der Kathode 24 durch die Randkante (44) eines Napfes (46) gebildet und an der ringförmigen öffnung zwischen dem Gitter (49) und dem Ionenschirm (54) angeordnet ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenschirm einen Teil des Gitters bildet.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter mit einem Impulsgenerator verbunden ist, der dazu dient, die Elektronenemission aus dem ringförmigen Kathodenteil zu steuern.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Einrichtung zur Einstellung des Gitterpotentials versehen ist, um die Richtung des Strahls auf den Schirm zu beeinflussen.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter verhältnismäßig breite Oberflächenteile quer zur Strahlachse aufweist und abgeschrägte Flächenteile enthält, die dazu dienen, die emittierten Elektronen als Hohlstrahl auf den Schirm zu richten.

   109810/1668