DE2164811A1

DE2164811A1 - ROENTINE PIPE

Info

Publication number: DE2164811A1
Application number: DE2164811A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Phys Friedel; Herbert Dipl Phys Schnitger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-27
Filing date: 1971-12-27
Publication date: 1973-07-12
Also published as: GB1418039A; US3793549A; CH542510A; DE2164811B2; FR2165960A1; FR2165960B1; JPS5543232B2; JPS4874794A

Description

X-ray tube

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre.mit einer Glühkathode, die von einer Foicussiereinrichtung (Wehnelt-Zylinder) umgeben ist. Damit für die üblichen Anwendungszwecke, etwa die medizinische Diagnostik und Therapie, hinreichend intensive Strahlen erhalten werden, die von einem eng begrenzten Bereich ausgehen, betreibt man Röntgenröhren in der Regel mit einer Glühkathode, der eine Fofcussiereinrichtung zugeordnet ist. Diese Einrichtung kann dabei auch als eine Art Sperrgitter benutzt sein, um die Intensität der austretenden Elektronen zu steuern, d.h. insbesondere aus- und einzuschalten.The invention relates to an X-ray tube with a hot cathode, which is surrounded by a foicussing device (Wehnelt cylinder). So for the usual purposes, such as the medical diagnosis and therapy, sufficiently intense rays can be obtained from a narrowly limited area out, X-ray tubes are usually operated with a hot cathode to which a focusing device is assigned is. This device can also be used as a kind of barrier to reduce the intensity of the exiting electrons to control, i.e. in particular to switch it on and off.

Bei den vorgenannten Kathoden von Röntgenröhren hat es sich als Mangel erwiesen, daß die Glühwendel bei Resonanzanregung Eigenschwingungen ausführt. Die Anregung kann z.B. durch die Erschütterungen des Laufes einer Drehanode hervorgerufen werden. Durch die Schwingungen treten Dichteschwankuhgen im Elektronen-Strahlenbündel auf, die auf die Anode auftreffen und dort so starke lokale Erhitzungen bewirken können, daß das Anodenmaterial anschmilzt und verdampft. Dadurch können Hochspannungsentladungen auftreten, die zu einer Vernichtung derIn the aforementioned cathodes of X-ray tubes, it has proven to be a defect that the filament oscillates naturally when excited by resonance executes. The excitation can e.g. be caused by the vibrations of the barrel of a rotating anode. Due to the vibrations, density fluctuations occur in the electron beam, which strike the anode and there can cause so strong local heating that the anode material melts and evaporates. This can cause high voltage discharges occur leading to the destruction of the

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Röhre führen. Außerdem sind die oszillierenden Änderungen der Elektronenverteilung besonders in der Diagnostik unerwünscht, weil diese die Abbildungsoigenschaften der Röhre verschlechtern. Auch Anschmelzungen, die noch zu keinem Durchschlag führen, stellen Beschädigungen der Brennfleckbahn dar, die zu einer Verringerung der abgestrahlten Strahlenintensität führen.Lead tube. In addition, the oscillating changes in the electron distribution are particularly undesirable in diagnostics, because these degrade the imaging properties of the tube. Even fused areas that do not yet lead to a breakdown represent damage to the focal point path lead to a reduction in the emitted radiation intensity.

Das Ziel der Erfindung ist es daher, die vorgenannten schädlichen Effekte zu vermeiden oder wenigstens auf ein ungefährliches Maß zu reduzieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Glühwendel in unmittelbarer Nähe schwingungsdämpfende Abstützungen zugeordnet sind, die nicht mit der Glühwendel unmittelbar verbunden sind und wegen ihres geringen Abstandes von ihr trotz der schwingungshemmenden Wirkung die Vermeidung von Wärmeableitung und damit auch die Vermeidung der Beeinflussung der Verteilung der abgestrahlten Elektronen gewähren.The aim of the invention is therefore to avoid the aforementioned harmful effects or at least to reduce them to harm Reduce measure. According to the invention, this is achieved in that the incandescent filament has vibration-damping elements in the immediate vicinity Are assigned supports that are not directly connected to the filament and because of their small distance of it, despite the vibration-inhibiting effect, the avoidance of heat dissipation and thus also the avoidance to influence the distribution of the emitted electrons.

Versuche, die zur Erfindung führten, haben überraschend ergeben, daß die wegen der Rekristallisation des Wolframdrahts für mechanisch stabil angesehenen Glühkathoden unter bestimmten Betriebsbedingungen derart in Schwingung geraten können, daß die obengenannten unerwünschten Erscheinungen auftreten. Die in Röntgenröhren benutzten Glühkathoden sind bekanntlich als Wendel ausgelegt und erhalten so die Form einer Schraubenfeder, die beträchtliche Länge haben kann. Durch die insbesondere in Drehanoden (Unwucht, Lagerreibung, Spiel der Anode in den Kugellagern etc.) auftretenden Erschütterungen kann eine solche Glühwendel zu Resonanzschwingungen angeregt werden. Maßgebend dafür sind bekanntlich die geometrischen Abmessungen und die Materialkonstanten der Wendel selbst (Eigenschwingungen) . Im Falle einer Resonanzanregung, d.h. einer Anregung im Bereich einer Eigenschwingungsfrequenz kann es soExperiments which led to the invention have surprisingly shown that the glow cathodes, which are regarded as mechanically stable because of the recrystallization of the tungsten wire, can, under certain operating conditions, start to oscillate in such a way that the above-mentioned undesirable phenomena occur. As is known, the hot cathodes used in X-ray tubes are designed as coils and thus take the form of a helical spring, which can be of considerable length. The vibrations occurring in particular in rotating anodes (imbalance, bearing friction, play of the anode in the ball bearings, etc.) can cause such a filament to resonate. As is known, the decisive factors for this are the geometric dimensions and the material constants of the helix itself (natural vibrations). In the case of a resonance excitation, ie an excitation in the range of a natural oscillation frequency, it can do so

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schon bei Anregungen geringer Energie zu beträchtlichen Amplituden kommen. Die Eigenschwingung ist andererseits bei einer Heizwendel nicht konstant. Sie ist .auch abhängig vom Heizstrom, d.h. der Erhitzung, mit der sich die Elastizität des Drahtes und wegen der Ausdehnung auch seine mechanis ehe Spannung ändert. Andererseits werden die Drehanoden von der Drehzahl Null auf ihre volle Drehzahl beschleunigt und bei Beendigung der Benutzung wieder auf Null abgebremst. Dies bedingt, daß andererseits alle Anregungsfrequenzen bis zu der durch die Drehzahl bestimmten Höchstfrequenz vorkommen.even with excitations of low energy to considerable amplitudes come. On the other hand, the natural oscillation is not constant in the case of a heating coil. It is also dependent on the heating current, i.e. the heating, with which the elasticity of the wire and, because of the expansion, also its mechanical tension changes. On the other hand, the rotating anodes are accelerated from zero speed to their full speed and upon termination braked back to zero during use. This means that, on the other hand, all excitation frequencies up to the the maximum frequency determined by the speed.

Es zeigt sich, daß an der Wendel zwei nahe benachbarte Eigenschwingungs-Frequenzen auftreten. Eine Schwingung quer zu den Befestigungsstützen der Wendel und eine senkrecht dazu (quer zur Röhrenachse), d.h. auf die Anode zu. Im ersten Fall kann die Wendel kurzzeitig am Fokussierungszylinder anliegen. Ein direkter Schaden, abgesehen von einer geringfügigen Wärmeableitung, entsteht dabei aber nicht, wenn die Wendel und der Kopf voneinander isoliert bzw. über einen hochohmigen Widerstand miteinander verbunden sind. Die im Berührungsaugenblick auftretende Abkühlung bewirkt allerdings einen Rückgang der Elektronen-Emission an der Berührungsstelle, die die Funktion der Röhre aber nicht wesentlich beeinflußt. Bei Röhren in Gitterausführung allerdings, d.h. Röhren, bei denen der Fokussierungskopf gegenüber der Heizwendel pulsweise negativ vorgespannt wird zum Schalten des Röhrenstromes, bricht bei Berührung der Wendel mit dem Fokussierungskopf die negative Vorspannung zusammen, die Röhre wird dann für Gittersteuerung betriebsunbrauchbar; außerdem entstehen dann Überlastungen der Anode, die schnell zu vollständiger Zerstörung der Röhre führen.It turns out that two closely adjacent natural oscillation frequencies occur on the helix. One oscillation transversely to the fastening supports of the helix and one perpendicular to them (transversely to the tube axis), ie towards the anode. In the first case, the helix can briefly rest on the focusing cylinder. Direct damage, apart from a slight dissipation of heat, does not occur if the filament and the head are isolated from one another or are connected to one another via a high-ohmic resistor. The cooling that occurs at the moment of contact, however, causes a decrease in electron emission at the point of contact, but this does not significantly affect the function of the tube. In the case of tubes in grid design, however, ie tubes in which the focusing head is pulsed negatively biased against the heating coil to switch the tube current, the negative bias collapses when the coil comes into contact with the focusing head, and the tube is then unusable for grid control; In addition, the anode is then overloaded, which quickly leads to complete destruction of the tube.

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Die senkrecht zur Vorgenannten auftretende Schwingung, d.h. eine solche, die in Richtung der Elektronenstrahlung verläuft, kann gefährlich sein, weil sich dadurch die Größe und die Dichteverteilung des Elektronenbrennfleckes erheblich ändert. So kann es dazu kommen, daß in Abhängigkeit von der Belastung, den speziellen Emissionseigenschaften einer Kathode nach der Schwingamplitude auf der Anode infolge lokaler Uberhitzungen des Anodenmaterials Anschmelzungen auftreten, die zur Zerstörung der Brennfleckbahn führen. Diese sind der Lebensdauer der Röhren abträglich, weil einerseits wegen Verringerung der Hochspannungsfestigkeit, d.h. durch Abdampfung entstehende Metallbeläge, und andererseits wegen eines Durchzündens der Hochspannungsstrecke, die durch das Anschmelzen eingeleitet werden kann.The oscillation that occurs perpendicular to the aforementioned, i.e. one that runs in the direction of the electron beam, can be dangerous because it changes the size and density distribution of the electron focal point considerably. So it can happen that, depending on the load, the special emission properties of a cathode after the Oscillation amplitude on the anode as a result of local overheating of the anode material, which leads to destruction lead the focal point path. These are detrimental to the service life of the tubes because, on the one hand, because of a reduction in the High voltage resistance, i.e. metal deposits created by evaporation, and on the other hand because of the ignition of the High-voltage line initiated by the melting can be.

Die stützenden Elemente gemäß der Erfindung können verschieden ausgeführt sein, etwa als einfacher Stift, der, von der Abstrahlseite aus betrachtet, kurz unterhalb der Glühwendel endet. Der Abstand sollte nicht größer als einige 1/10 mm betragen, um die Schwingungen hinreichend zu hemmen. Seine Dicke wird zweckmäßig größer gewählt als die Abstände zwischen den Windungen der Wendel. Der Stift bremst nur die senkrecht in Richtung der Elektronenabstrahlung verlaufenden Schwingungen. Wenn aber die Stütze als dickerer Stift ausgebildet ist, der an seinem Ende rund ausgeschliffen ist, so daß diese Aushöhlung dem Durchmesser der Wendel etwa angepaßt ist, werden auch seitliche Schwingungen gehemmt. Die gleiche Wirkung wird¹ durch andere gabelförmige Stützen erzielt, wie z.B. gebogene Drähte, etwa zwei verdrillte Drähte, die am Ende Y-förmig gespreizt sind oder ein am Ende schwalbenschwanzförmig ausgeschnittener Blechstreifen. Als Material für die Stützen können alle Materialien verwendet werden, die beim Bau von Kathoden üblich sind. Dies sind insbesondere schwerschmelzbare Metalle,The supporting elements according to the invention can be designed in different ways, for example as a simple pin which, viewed from the emission side, ends just below the incandescent filament. The distance should not be greater than a few 1/10 mm in order to adequately inhibit the vibrations. Its thickness is expediently chosen to be greater than the distances between the turns of the helix. The pen only brakes the vibrations running perpendicularly in the direction of the electron emission. If, however, the support is designed as a thicker pin, which is ground out round at its end, so that this cavity is approximately matched to the diameter of the helix, lateral vibrations are also inhibited. The same effect is obtained ¹ by other fork-shaped supports, such as bent wires, such as two twisted wires, the Y-shape are spread apart at the end or at the end of a dovetail-shaped cut-out sheet-metal strips. All materials that are customary in the construction of cathodes can be used as the material for the supports. These are especially difficult to melt metals,

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wie Wolfram, Tantal, Molybdän etc.. Wegen der bei Anschwingen der Wendel an die Stütze nur kurzzeitigen Berührung sind aber auch elektrisch isolierende Materialien verwendbar. Auch können die obengenannten metallischen Abstützungen an den Berührungsflächen mit isolierenden Stoffen belegt sein. Die Isolierstoffe müssen allerdings sehr hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen, wie z.B. Zirkonoxid. Die Stützelemente werden zweckmäßig in der Anzahl aufgestellt, die ausreicht, um je nach der länge der Wendeln das schädliche Schwingen zu verhindern.like tungsten, tantalum, molybdenum etc .. Because of the oscillation brief contact between the helix and the support, electrically insulating materials can also be used. Also can the above-mentioned metallic supports on the contact surfaces must be covered with insulating materials. The insulating materials must, however, have a very high temperature resistance, such as zirconium oxide. The support elements become appropriate set up in the number that is sufficient to prevent harmful swinging, depending on the length of the coils.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.Other features and advantages of the invention are set out below explained on the basis of the exemplary embodiments shown in the figures.

In der Fig. 1 ist eine teilweise aufgebrochene Drehanodenröntgenröhre mit erfindungsgemäß ausgestalteter Kathode dargestellt undIn Fig. 1 is a partially broken away rotary anode x-ray tube shown with a cathode designed according to the invention and

in den Fig. 2 bis 6 Querschnitte durch Ausbildungen derin Figs. 2 to 6 cross-sections through designs of the

Kathode, bei welchen die Stützelemente verschieden geformt sind.Cathode in which the support elements are shaped differently.

In der Fig. 1 ist die Röhre mit 1 bezeichnet. Sie umfaßt den gläsernen Vakuumkolben 2, der zylinderförmig ist und an seinem einen Ende die Anodenkombination 3 und am gegenüberliegenden Ende die Kathodenkombination 4 trägt. Die Kathodenkombination 4 trägt die Glühwendel 5 in dem Wehnelt-Zylinder 6 und wird mittels der Halterung 7 am eingezogenen Ende 8 des Kolbens gehalten. Die Stromversorgung der Wendel 5, die aus 0,3mm dickem Wolframdraht in einem Durchmesser von 2 mm gewickelt ist, erfolgt über die leitungen 9. Die Anode umfaßt den Teller 10, der über den Rotor 11 an dem am zweiten Kolbenende angeglasten Stutzen 12 drehbar gelagert ist. Die Glühwendel 5In FIG. 1, the tube is denoted by 1. It includes that glass vacuum flask 2, which is cylindrical and at one end the anode combination 3 and at the opposite end End of the cathode combination 4 carries. The cathode combination 4 carries the incandescent filament 5 in the Wehnelt cylinder 6 and is held by means of the holder 7 at the retracted end 8 of the piston. The power supply of the helix 5, which consists of 0.3mm thick tungsten wire with a diameter of 2 mm is wound via the lines 9. The anode surrounds the plate 10, which is glazed over the rotor 11 to the one at the second piston end Nozzle 12 is rotatably mounted. The filament 5

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ist im Kathodenteil 4 in den aus Al₂O, bestehenden Isolatoren und 14 am Vorderteil 7' der Kathodenhalterung befestigt. Für den die Schwingungen verhindernden Stift 15 ist. im Teil 7¹ ebenfalls ein aus Al₂O, bestehender Isolator 16 vorgesehen. Dieser befindet sich zwischen den Isolatoren 13, 14 (vgl. auch Fig. 2). Die Wendel 5 wird, sofern sie in Schwingung gerät, durch den 1,5 mm dicken Stift 15 aus Mo gebremst, weil sie daran anschlägt. Wenn er außerdem, wie dargestellt, an seinem oberen Ende gespalten und die verbleibenden Teile 15a auseinandergebogen sind, kann er auch seitlich eine schwingungshemmende Abstützung bilden. Die Herstellung ist so besonders einfach, weil die Spaltung und das Abschleifen der seitlichen Spitzen 15b mechanisch erfolgen kann.is attached in the cathode part 4 in the _{insulators made of Al 2} O and 14 on the front part 7 'of the cathode holder. For the pin 15 preventing the vibrations. also provided in the portion 7 ¹ a of Al ₂ O, existing insulator sixteenth This is located between the insulators 13, 14 (see also FIG. 2). The helix 5, if it starts to vibrate, is braked by the 1.5 mm thick pin 15 made of Mo because it strikes it. If it is also split at its upper end, as shown, and the remaining parts 15a are bent apart, it can also form an anti-vibration support laterally. Production is particularly simple because the cleavage and grinding of the lateral tips 15b can take place mechanically.

Der Stift 15, der als Abstützung dient, kann aber auch in der in Fig. 3 dargestellten Form aus zwei 0,3 mm dicken Drähten aus Wolfram bestehen, die miteinander verdrillt sind. Am freien Ende ist die Verdrillung der Drähte 17 und 18 aufgedreht und eine Gabel gebildet. Durch die beiden Zinken der Gabel wird die Wendel 5 zusätzlich am seitlichen Schwingen gehindert. Andererseits kann statt der Drähte in einer Ausführung gemäß Fig. 4 eine Blechzunge 19 aus 0,5 dickem Wolframblech verwendet werden, deren Ende schwalbenschwanzartig ausgeschnitten ist und so das Schwingen der Wendel 5 wie die Drahtgabel nach Fig. 3 verhindert. Eine ähnliche Ausbildungsform stellt der 2 mm dicke Stift 20 aus Molybdän dar, der in der Fig. 5 gezeichnet ist und durch welchen eine Schwingung der Wendel 5 verhindert wird. Sein der Wendel benachbartes Ende ist mit einer Auskehlung versehen, die der Form der Wendel 5 entspricht. In der Fig. 6 ist ein verdrehter Draht entsprechend der Ausbildung in Fig. 3 verwendet. Der Unterschied be-• steht darin, daß an den Enden der beiden Drähte Je eine elektrisch isolierende, etwa 0,5 Durchmesser dicke Perle. 21, 22 aus Zirkonoxid angebracht ist. Bei dieser Ausführung ist eine The pin 15, which serves as a support, can also, in the form shown in FIG. 3, consist of two 0.3 mm thick wires made of tungsten, which are twisted together. At the free end, the twisting of the wires 17 and 18 is untwisted and a fork is formed. The helix 5 is also prevented from swinging sideways by the two prongs of the fork. On the other hand, instead of the wires in an embodiment according to FIG. 4, a sheet metal tongue 19 made of 0.5 thick tungsten sheet can be used, the end of which is cut out like a dovetail and thus prevents the coil 5 from swinging like the wire fork according to FIG. A similar embodiment is represented by the 2 mm thick pin 20 made of molybdenum, which is shown in FIG. 5 and which prevents oscillation of the coil 5. Its end adjacent to the helix is provided with a groove which corresponds to the shape of the helix 5. In FIG. 6, a twisted wire corresponding to the design in FIG. 3 is used. The difference • loading is the fact that at the ends of the two wires, depending an electrically insulating, about 0.5 thick diameter bead. 21, 22 made of zirconium oxide is attached. In this version there is a

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Isolierung, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, für eine elektrische Trennung der Stütze vom Wehnelt-Zylinder nicht notwendig, weil die Perlen 21, 22 die isolierende Trennung bewirken. Auch an den Ausführungsforaen von den Fig. 1, 2, 4 und 5 können entsprechende isolierende Enden angebracht sein. Dies ist insbesondere wichtig bei Verwendung des Wehnelt-Zylinders als Sperrgitter. Außerdem'.ist es in der Fabrikation einfacher, die Stützen mit dem Wehnelt-Zylinder direkt zu verschweißen oder zu verlöten. Es ist dann nicht notwendig, isolierende Teile entsprechend dem Teil 16 in den Teil ?' der Zathodenhalterung einzusetzen.Insulation, as shown in FIGS. 1 and 2, for electrical separation of the support from the Wehnelt cylinder not necessary because the beads 21, 22 effect the insulating separation. Also on the execution fora in Fig. 1, 2, 4 and 5 may have respective insulating ends attached. This is particularly important when using the Wehnelt cylinder as a barrier. In addition, it is easier in production to close the supports directly with the Wehnelt cylinder weld or solder. It is then not necessary to put insulating parts corresponding to part 16 in the part? ' the To use cathode holder.

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Claims

. rU X-ray tube, the hot cathode of which is surrounded by a focusing device (Vehnelt cylinder), characterized in that the hot cathode (5) is assigned vibration-inhibiting supports (16 to 22) in the immediate vicinity.

2. Tube according to claim 1, characterized in that the supports (15) at their end facing the helix (5)

W fork-shaped (15a). are trained.

3. Tube according to claim 1 or 2, characterized in that the support contains electrically insulating parts (16, 21, 22) which ^{interrupt a flow of current between the helix (5) and the holder (7 1} ) of the support (15) .

4. Tube according to claim 3, characterized in that the electrically insulated parts (21, 22) on the helix (5) facing End of the support are attached.

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