DE2216119A1

DE2216119A1 - Field emission x-ray tube

Info

Publication number: DE2216119A1
Application number: DE19722216119
Authority: DE
Inventors: Thomas C Ann Arbor Mich. Cunningham (V.StA.). M
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1971-04-07
Filing date: 1972-04-01
Publication date: 1972-11-30
Also published as: SU433698A3; FR2132696A1; IT953614B; US3883760A

Description

Patentanwalt ää I D I \Ό Patent attorney ää IDI \ Ό

Karl A. Br öseKarl A. Bröse

Dipl-lng.Dipl-lng.

D-C123 München - Pullach
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* - :, _! .. · = Η.Γ.ϊ, Τ.Μίη.7930570.7931782

v.l/sta - 4733-Α München-Pullach, den 28. 3.v.l / sta - 4733-Α Munich-Pullach, March 28th

TIIS BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 43075, Michigan, USATIIS BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 43075, Michigan, USA

Feldemissions-RöntgenstrahlröhreField emission x-ray tube

Die Erfindung betrifft Röntgenatrahlröhren und insbesondere eine Feldemissions-Röntgenstrahlröhre mit einer verbesserten Kathode, die im Abstand zu der Anode und von dieser isoliert angeordnet ist.The invention relates to x-ray tubes, and more particularly to one Field emission x-ray tube having an improved cathode spaced from and isolated from the anode is.

Bekannte Feldemissions-Röntgenstrahlröhren, die manchmal auch Kaltelektronenemissions-Röntgenstrahlröhren genannt werden, besitzen Kathoden mit einer Vielzahl von scharfen Blättern oder besitzen eine Vielzahl von Anordnungen gespitzter Nadeln. Es ist sehr schwierig, diese Kathoden in Form von Blättern und Nadelanordnungen zu konstruieren, da verschiedene Abmessungen der Kathoden kritisch sind. Man hat angenommen, daß die Elektronen emittierenden scharfen Kanten der Blätter und die Nadelspitzen sehr genau geformt sein müssen und einen Krümmungsradius zwischen 10"^ cm bis 10 cm aufweisen müssen. Man nimmt an, daß bei Verwendung einer noch spitzeren Nadel oder einer Blattkathode mit einem noch kleineren Krümmungsradius die dynamische Impe-. danz der Röntgenröhre abgesenkt wird, so daß es unmöglich wird, ; ein ausreichend hohes Potential zwischen der Anode und der Kathode aufrechtzuerhalten, um also sicherzustellen, daß die Elektronen mit ausreichender Energie auf die Anode aufschlagen, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, u. zw. mit ausreichender Intensität* Andererseits glaubt man, daß bei"einer Verwendung von Blättern oder Nadeln mit größerer Krümmung bzw. größeren Krümmungsradien _; die dynamirscho Impedanz der Röhre derart erhöht wird, daß dasKnown field emission x-ray tubes, sometimes also called cold electron emission x-ray tubes, have cathodes with a plurality of sharp blades or have a plurality of arrangements of pointed needles. It is very difficult to construct these cathodes in the form of sheets and needle assemblies because different dimensions of the cathodes are critical. It has been assumed that the electron-emitting sharp edges of the leaves and the needle tips must be very precisely shaped and have a radius of curvature between 10 inches to 10 cm Even smaller radius of curvature decreases the dynamic impedance of the X-ray tube, so that it becomes impossible to maintain a sufficiently high potential between the anode and the cathode to ensure that the electrons strike the anode with sufficient energy to generate X-rays to produce, and with sufficient intensity * On the other hand, it is believed that when "using leaves or needles with greater curvature or greater radii of curvature _; the dynamic impedance of the tube is increased so that the

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der Röhre zugeführte elektrische Potential eine Funkenbildung zur Außenseite der Röhre bewirken kann, anstatt die Elektronen zu veranlassen, von der Kathode zur Anode zu fliegen und Röntgenstrahlen zu erzeugen·. Diese höhere Lichtbogenspannung kann auch die Isolation durchschlagen, welche die Röhre umgibt, so daß dies eine Gefahr für Personen in der Nähe der Röhre darstellen würde.The electrical potential applied to the tube creates a spark to the outside of the tube instead of causing the electrons to fly from the cathode to the anode and x-rays to create·. This higher arc voltage can also break down the insulation that surrounds the tube, so that this would pose a danger to people in the vicinity of the tube.

Feldemissions-Röntgenstrahlröhren erfordern ein derart hohes Potential während des Betriebes, gewöhnlich zwischen 100 und 1.υυυ Kilovolt, daß ein Teil der Kathode jedesmal beim Zuführen eines elektrischen Potentialimpulses zur Röntgenstrahlröhre verdampft wird. Diejenigen Abschnitte der Blätter- und Nadelkathoden, die zu den Elektronen emittierenden Kanten und Spitzen dieser Kathoden führen, sind mit einer 7 ^-Anfasung versehen, so daß der gewünschte Krümmungsradius beibehalten wird, wenn Abschnitte der Kathode verdampfen. Die Kathoden sind ziemlich klein. Beispielsweise besitzen die Ladekathoden einen Schaftdurchmesser von 5/1CO mm. Es ist offensichtlich schwierig, ein Element in dieser Größenordnung herzustellen und dabei noch eine bestimmte An fasung vorzusehen. Obwohl die Nadeln mit einer genauen und bestimmten Anfasung ausgestattet sind, so ist dennoch die Lebensdauer dieser Feldemissions-Röntgenstrahlröhren relativ kurz, da die Nadeln durch örtliches Metall während des Betriebes verändert werden. Die Nadelspitzenkathoden weisen eine relativ kleine Anzahl von individuellen Nadeln auf, so daß das während des Betriebes den Röntgenröhren zugeführte hohe Potential zu der Entstehung einer extrem hohen Stromdichte in der begrenzten Anzahl der zur Verfügung stehenden Nadelspitzen führt. Durch diese hohe Stromdichte werden die Nadelspitzen abgeschmolzen, und dadurch wird die Lebensdauer der Röhre begrenzt.Field emission x-ray tubes require such a high potential during operation, usually between 100 and 1.υυυ kilovolts, that part of the cathode is fed each time an electrical potential pulse is evaporated to the X-ray tube. Those sections of the leaf and needle cathodes which lead to the electron-emitting edges and tips of these cathodes are provided with a 7 ^ bevel, see above that the desired radius of curvature is maintained as portions of the cathode evaporate. The cathodes are pretty small. For example, the charging cathodes have a shaft diameter of 5/1 CO mm. Obviously it's difficult to get one Manufacture element of this size while still providing a certain bevel. Although the needles with an accurate and certain chamfering, the life of these field emission x-ray tubes is still relative in short, because the needles are changed by local metal during operation. The needle tip cathodes have a relatively small number of individual needles, so that the high potential applied to the X-ray tubes during operation leads to the Creation of an extremely high current density in the limited number of needle tips available. Through this high current density, the needle tips are melted, and this limits the service life of the tube.

Trotz dieses Nachteils ist allgemein die Meinung verbreitet, daß Nadelkathoden besser als Blattkathoden sind. Man glaubt, daß es erforderlich ist, den Abstand zwischen den verschiedenen Nadeln einer derartigen Kathode genau zu steuern oder zu kontrollieren, um eine einheitliche elektrische Feldverteilung zwischen derDespite this disadvantage, it is widely believed that needle cathodes are better than sheet cathodes. It is believed that it is necessary to precisely control or control the distance between the various needles of such a cathode, a uniform electric field distribution between the

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Anode und der Kathode während der Anfangsstufen beim Erzeugen eines Eöntgenstrahlimpulses zu erhalten, und um danach einen lokalisierten Vakuumlichtbogen zwischen ein paar Fädeln der Kathode und der Anode zu erzeugen. Fan hielt es für erforderlich, einen örtlich lokalisierten Vakuumlichtbogen vorzusehen, um genau eine vorgewählte Impedanz über der Röntgenröhre während der Erzeugung von Röntgenstrahlen aufrechtzuerhalten, so daß die erzeugten Röntgenstrahlen genau die gewünschte Energie und Eindringti-efe aufweisen. Die Nadeln sind jedoch so dünn und so eng gepackt, allgemein 13/1Cu mm bis 25/1 ου mm Abstand, daß es schwierig ist, einen genauen Abstand vorzusehen.Anode and cathode during the initial stages of generating an X-ray pulse, and then one localized vacuum arc between a few threads of the cathode and to produce the anode. Fan found it necessary to provide a locally localized vacuum arc to be precise maintain a preselected impedance across the x-ray tube during the generation of x-rays so that the generated X-rays have exactly the desired energy and penetration force exhibit. The needles, however, are so thin and so tightly packed, generally 13 / 1Cu mm to 25/1 ου mm apart, that there is it is difficult to provide an exact spacing.

Die zur Zeit verwendeten Kathoden für Feldemissions-Röntgenröhren werden durch komplizierte und langwierige mechanische Schieifverfahren, chemische Ätzverfahren und elektrolytische Ätzverfahren hergestellt, wobei ein Hetallstück auf die richtige Form und das richtige Abmaß reduziert wird, oder werden durch einen Kristallisationsprozeß erzeugt, wobei eine das Material, aus welchem die Kathode hergestellt werden soll, enthaltende Lösung in Berührung mit einem Reagens gebracht wird, welches bewirkt, daß das Material von der lösung derart abgetragen wird, daß nadeiförmige Formen entstehen. Die Herstellung von Kathoden, die zur Zeit in Feldemissions-Röntgenstrahlröhren verwendet werden, die die zuvor erläuterten Anforderungen zufriedenstellen, ist daher äußerst schwierig, zeitraubend und mit Kosten verbunden. The cathodes currently used for field emission x-ray tubes are complicated and tedious mechanical Grinding processes, chemical etching processes and electrolytic processes Etching process, whereby a metal piece is reduced to the correct shape and dimension, or are made by generates a crystallization process, a solution containing the material from which the cathode is to be made is brought into contact with a reagent which causes the material to be removed from the solution in such a way that that needle-shaped forms arise. The manufacture of cathodes currently used in field emission x-ray tubes thus satisfying the requirements outlined above is extremely difficult, time consuming and costly.

Der Gegenstand der Erfindung besteht aus einer verbesserten und äußerst wirkungsvollen Kathode, die sehr einfach hergestellt werden kann. Die Kathode Gesteht aus einem oder aus mehreren Gewebestücken mit hohem Schmelzpunkt und Sublimationstemperatur, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit oder mit anderen Worten mit niedrigem elektrischem Widerstand und hoher Zugfestigkeit. Durch die Erfindung wird eine verbesserte Feldemissions-Röntgenntrahlröhre geschaffen, deren Gewebekathode im Abstand zur Anode und isoliert gegenüber der Anode angeordnet ist. Das hier angesprochene Gewebe besteht aus einem Graphitgowebe♦ Das GewebeThe object of the invention consists of an improved and extremely efficient cathode which is very easily manufactured can be. The cathode consists of one or more pieces of tissue with a high melting point and sublimation temperature, with high electrical conductivity or in other words with low electrical resistance and high tensile strength. The invention provides an improved field emission x-ray tube created whose fabric cathode is arranged at a distance from the anode and isolated from the anode. The one mentioned here The fabric consists of a graphite gauze fabric. ♦ The fabric

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wird aus einer großen Anzahl von einzelnen Fäden gewoben, die ihrerseits aus einer großen Anzahl von einzelnen Fasern hergestellt sind. Während des Betriebes der Röntgenstrahlröhre wird dieser ein elektrischer Impuls mit hohem Potential zugeführt. Dieser Impuls baut eine große Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode auf und bewirkt, daß Elektronen von der Kathode emittiert werden. Diese Elektronen fliegen zur Anode und schlagen auf dieser auf, um zu bewirken, daß von der Anode Röntgenstrahlen mit bestimmter Energie ausgesendet werden. Diese große Potentialdifferenz bewirkt, daß die Enden der Fäden auseinanderstreben, so daß jeder Faden als Elektronenemitter wirken kann. Die Feldemissions-Röntgenstrahlröhre nach der Erfindung besitzt eine extrem hohe Lebensdauer, da die Gewebekathode eine extrem große Anzahl von einzelnen Fäden aufweist. Jeder dieser Fäden kann als Elektronenemitter während des Betriebes der Röhren arbeiten. Daher wird auch jeder Gewebefaden oder -faser nicht mit einem Strom mit der hohen Stromdichte belastet, wie dies bei den Nadeln bzw. Nadelkathoden jedesmal beim Betrieb der Röhre der Fall war. Darüber hinaus besitzt die Röhre eine lange betriebliche lebensdauer, da das Gewebe einen hohen Schmelzpunkt und Sublimationstemperatur aufweist und daher einer Deformation oder Erosion während des Betriebes Widerstand entgegenstellt. Die Gewebekathode sorgt für eine große Anzahl an Elektronen während des Betriebes, da sie einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist und ebenso eine große Anzahl von Fäden bzw. Fasern. Die Ausgangsgröße der Röhre besteht daher auch in einer Röntgenstrahlung hoher Dichte, die zu der Erzeugung von klaren Röntgenbildern führt. Die hohe Zugfestigkeit des Gewebes verhindert beim Zuführen des hohen elektrischen Potentials zu Röntgenstrahlröhren, daß während des Betriebes die Kathode abbricht. Das heißt, die große Potentialdifferenz, die zwischen AnoÖe und Kathode der Röntgenstrahlröhre aufrechterhalten wird, wirkt derart, daß sie die verschiedenen Fasern der Gewebekathode zurückweist oder abstößt, u. zw. eine ^aser von der anderen, und versucht, diese Fasern zur Anode zu ziehen. Das Gewebe muß eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, um der durch diese Potentialdifferenz hervorgerufenen Kraft Widerstand leisten zuis woven from a large number of individual threads, which in turn are made from a large number of individual fibers are. During the operation of the X-ray tube this is supplied with an electrical pulse with a high potential. This pulse builds up a large potential difference between the Anode and cathode and causes electrons to be emitted from the cathode. These electrons fly to the anode and strike it in order to cause X-rays with a certain energy to be emitted from the anode. These large potential difference causes the ends of the filaments strive apart so that each thread can act as an electron emitter. The field emission X-ray tube according to the invention has an extremely long service life because the fabric cathode has an extremely large number of individual threads. Everyone this filament can work as an electron emitter during the operation of the tubes. Therefore, every fabric thread or -fiber is not loaded with a current with the high current density, as is the case with needles or needle cathodes every time during operation the tube was the case. In addition, the tube has a long service life because the tissue has a high Has melting point and sublimation temperature and therefore offers resistance to deformation or erosion during operation. The fabric cathode ensures a large number of electrons during operation because it has a low electrical level Has resistance and also a large number of threads or fibers. The output of the tube is therefore there also in high density x-rays which result in the production of clear x-ray images. The high tensile strength of the When the high electrical potential is applied to X-ray tubes, tissue prevents the cathode from being exposed during operation breaks off. That is, the large potential difference that between the anoÖe and the cathode of the X-ray tube acts in such a way that it interferes with the various fibers of the tissue cathode rejects or repels, and between a ^ aser from the another, and tries to pull these fibers to the anode. The mesh must have a high tensile strength in order to resist the force caused by this potential difference

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können.can.

Es sind drei unterschiedliche Röntgenstrahlröhren veranschaulicht, deren Kathoden aus einem Graphitgewebe bestehen, welches in verschiedene "Formen zugeschnitten ist. Jede der Graphitgewebekathoden ist so angeordnet, daß eine Kante des Gewebes einen Abstand von der Anode der Röntgenstrahlröhre aufweist. Die Elektronen werden längs dieser Kante emittiert und fliegen zur Anode, wenn zwischen Anode und Kathode eine große Potentialdifferenz aufgebaut wird. Der Abstand zwischen der Kante der Kathode und der Anode, die Potentialdifferenz, die zwischen Anode und Kathode aufgebaut wird, und die durch die Röhre erzeugte Energie der Röntgenstrahlen sind ähnlich wie bei den bekannten Feldemissions-Röntgenstrahlröhren mit Blatt- und ITadelkathoden.Three different X-ray tubes are illustrated, the cathodes of which consist of a graphite cloth, which is cut into various "shapes. Each of the graphite cloth cathodes is arranged so that one edge of the fabric is spaced from the anode of the x-ray tube. The electrons are emitted along this edge and fly to the anode if there is a large potential difference between anode and cathode is being built. The distance between the edge of the cathode and the anode, the potential difference that exists between the anode and Cathode is built up, and the energy of the X-rays generated by the tube are similar to the known field emission X-ray tubes with leaf and I needle cathodes.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt:Further advantages and details of the invention emerge from the description of exemplary embodiments below Reference to the drawing. It shows:

Fig. 1 das Graphitgewebe, welches zum Formen der Kathoden von verschiedenen Röntgenstrahlröhren verwendet wird;Fig. 1, the graphite fabric, which for forming the cathodes used by various X-ray tubes;

Fig. 2 eine Schnittdarsteilung einer Feldemissions-Röntgenstrahlröhre mit einer stabförmigen Anode und einer Kathode, die aus einer Vielzahl von Gewebestücken besteht, die im Abstand zur Anode so angeordnet sind, daß die Gewebestücke sich längs in Richtung der Achse der Anode erstrecken;Fig. 2 is a cross-sectional view of a field emission X-ray tube with a rod-shaped anode and a cathode made up of a large number of pieces of tissue consists, which are arranged at a distance from the anode so that the pieces of tissue are longitudinally in the direction extend the axis of the anode;

3 eine Schnittdarsbellung der Röntgenstrahlröhre von Fig. 2 nach der Linie 3-3;3 is a sectional view of the X-ray tube of FIG Fig. 2 along the line 3-3;

4 eine Teilschnitbdarnbellung einer Röntgenstrahlröhre rnLb einer ringförmigen Graphibgewebekathode, die kurz vor einer gespitzten Stabanode angeordnet igt;4 is a partial sectional view of an X-ray tube rnLb an annular graphib fabric cathode, the placed just in front of a pointed rod anode;

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Pig. 5 eine Schnittdarstellung der Röntgenstrahlröhre von Fig. 4 nach der Linie 5-5;Pig. 5 is a cross-sectional view of the x-ray tube of FIG Fig. 4 along the line 5-5;

Fig. 6 eine Teilschnittdarstellung einer Höntgenstrahlröhre mit einer zylindrischen Graphitgewebekathode, die konzentrisch zur Achse der gespitzten Stabanode angeordnet ist; undFig. 6 is a partial sectional view of an X-ray tube with a cylindrical graphite fabric cathode, which is arranged concentrically to the axis of the tipped rod anode is; and

Fig. 7 eine Schnittdarstellung der Röntgenstrahlröhre von Fig. 6 nach der Linie 7-7.FIG. 7 is a cross-sectional view of the x-ray tube of FIG Fig. 6 along the line 7-7.

In Fig. 1 i3t ein Stück 10 eines Graphitgewebes gezeigt, welches zum Formen von Kathoden in den drei Röntgenstrahlröhren gemäß den verbleibenden Figuren verwendet wird. Das Graphitgewebe ist ein Beispiel für ein festes Gewebe mit hoher Sublimationstemperatur und mit niedrigem elektrischem Widerstand. Graphit besitzt einen Sublimationstemperaturbereich von 3.652 G bis 3.697 C, einen elektrischen Widerstand von 8 χ 10 ühm-cm und eine FaserZugfestigkeit von 3«515 bis 7.03^ kg/cm , Verschiedene Sorten von Graphitgewebe mit Kettenfäden - die Dichte der parallel laufenden Fäden in der Richtung 12 - zwischen 8 und 20 Fäden pro cm und einem Einschlag bzw. Schußfäden - die Dichte der parallel verlaufenden Fäden in einer zweiten Richtung 14, die die Kettenfäden kreuzen - zwischen 8 und 20 Fäden pro cm, sind im Handel erhältlich, und man hat festgestellt, daß sich daraus wirkungsvolle Kathoden herstellen lassen. Jeder Faden 16 des Gewebestückes 10 ist aus einer großen Anzahl von einzelnen Fasern hergestellt. Die verschiedenen zuvor erwähnten Sorten der im Handel erhältlichen Graphitgewebe weisen Fäden auf, die aus 480 bis 1.440 Fasern bestehen. Die einzelnen Fasern haben einen Durchmesser von 5/1.Oou mm oder 10/1.0Ou mm in unmittelbar erhältlichen Graphitgewebesorten. Während de3 Betriebes einer Feldemissions-Röntgenröhre wird eine hohe Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode aufgebaut. Dieses hohe Potential bewirkt, daß sich die Enden der Fasern spreizen oder fransen, so daß jede Faser als Elektronenemitter wirken kann. Eine aus einem Graphitgewebe hergestellte KathodeIn Fig. 1 i3t a piece 10 of a graphite fabric is shown which is used to form cathodes in the three x-ray tubes according to the remaining figures. The graphite fabric is an example of a strong fabric with a high sublimation temperature and with low electrical resistance. Graphite has a sublimation temperature range of 3,652 G to 3,697 C, an electrical resistance of 8 χ 10 ohm-cm and a fiber tensile strength of 3-515 to 7.03 ^ kg / cm, various Varieties of graphite fabric with warp threads - the density of parallel threads in the direction of 12 - between 8 and 20 threads per cm and one weft or weft - the density of the parallel threads in a second direction 14, which cross the warp threads - between 8 and 20 threads per cm, are commercially available and have been found to be effective cathodes can be made from it. Each thread 16 of the piece of fabric 10 is made up of a large number of individual ones Fibers made. The various types of commercially available graphite cloth mentioned above have threads which consist of 480 to 1,440 fibers. The individual fibers have a diameter of 5 / 1.Oou mm or 10 / 1.0Ou mm in immediately available graphite fabrics. During the operation of a field emission X-ray tube, there is a high potential difference built up between the anode and the cathode. This high potential causes the ends of the fibers spread or fray, so that each fiber acts as an electron emitter can work. A cathode made from a graphite fabric

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weist somit eine enorme Anzahl von einzelnen Elektronen emittierenden Elementen auf. Beispielsweise weist die niedrigste Gewebesorte, die zuvor erwähnt wurde, die geringste Anzahl von Potentialelektronen emittierenden Elementen auf und besitzt Kettenfäden und Schuß von 10 Fäden pro Inch. Jeder Faden Desteht aus 480 einzelnen Fasern. Das Gewebe weist somit 4.8Ou Potentialelektronen emittierende Elemente pro cm längs jeder der Seitenkanten auf.thus has an enormous number of individual electron-emitting ones Elements on. For example, the lowest tissue type mentioned earlier has the lowest number of potential electrons emitting elements and has warp and weft of 10 threads per inch. Every thread stands from 480 individual fibers. The tissue thus has 4.8Ou potential electrons emitting elements per cm along each of the side edges.

Eine Graphitgewebekathode kann sehr viel einfacher hergestellt werden als vergleichsweise die bekannten Kathoden. Ein Gewebestuck wird zuerst aus Kunstseidenfäden gewoben. Das Gewebe wird dann in einer neutralen oder sauerstoffreien Atmosphäre erhitzt, um die Seide in amorphen Kohlenstoff zu verwandeln. Das karbonisierte Gewebe wird dann in einer neutralen oder sauerstoffreien Atmosphäre auf eine höhere Temperatur erhitzt, um den amorphen Kohlenstoff in Graphitkohlenstoff umzuwandeln.A graphite cloth cathode can be manufactured much more easily are compared to the known cathodes. A piece of fabric is first woven from rayon threads. The tissue will then heated in a neutral or oxygen-free atmosphere, to turn the silk into amorphous carbon. The carbonized tissue is then placed in a neutral or oxygen-free place The atmosphere is heated to a higher temperature to convert the amorphous carbon into graphitic carbon.

Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei Ansichten einer.Röntgenstrahlröhre 18, die ähnlich der bekannten Feldemissions-Röntgenstrahlröhre ist, mit Ausnahme der Kathode 19, die aus zwei Graphitgewebeteilen 20 und 22 hergestellt ist. Die Röntgenstrahlröhre 18 besteht aus einem Glaskolben 24, einer Anode 26 in Form eines angespitzten Wolframstabes, und aus einem Zylinder 28, der aus einem geeigneten Metall, wie beispielsweise Nickel, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und einem hohen Röntgenstrahlen-Absorptionskoeffizient hergestellt ist und den Röntgenstrahlen emittierenden Abschnitt der Anode umgibt. Der Zylinder 28 ist mit einem Fenster (nicht gezeigt) ausgestattet, welches aus einem Material besteht, das für Röntgenstrahlen durchlässig ist, wie beispielsweise Beryllium, welches im vorderen Abschnitt angeordnet ist, um die Emission von Röntgenstrahlen in die gewünschte Richtung zu erleichtern. Der Zylinder 28 enthält zwei rechteckige Leiterklemmen 30 und 32, welche die Gewebekathodenteile 20 und 22 jeweils festhalten. Jede Klemme besteht aus zwei Teilen 31 und 33» die aus einem geeigneten elektrisch leitenden Metall, wie Nickel, hergestellt sind. Die Klemmteile sindFigures 2 and 3 show two views of an X-ray tube 18, which is similar to the known field emission X-ray tube, with the exception of the cathode 19, which consists of two graphite fabric pieces 20 and 22 is made. The X-ray tube 18 consists of a glass bulb 24, an anode 26 in the form of a pointed one Tungsten rod, and from a cylinder 28 made of a suitable metal, such as nickel, with high electrical conductivity and a high X-ray absorption coefficient and surrounds the X-ray emitting portion of the anode. The cylinder 28 is equipped with a window (not shown) which consists of a material that is transparent to X-rays, such as beryllium, which is placed in the front section to reduce the emission of X-rays in the desired Direction to facilitate. The cylinder 28 contains two rectangular conductor clamps 30 and 32 which secure the tissue cathode portions Hold 20 and 22 respectively. Each clamp consists of two parts 31 and 33 »which are made of a suitable electrically conductive one Metal such as nickel. The clamping parts are

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durch Punktschweißen oder anderweitig miteinander verbunden und sind so geformt, daß die Gewebekathoden zwischen den Klemmteilen gehaltert werden, wenn diese miteinander verbunden sind. Die Klemmen sind an dem Metallzylinder 28 der Röntgenstrahlröhre 18 durch Punktschweißen oder anderweitig verbunden. Ein elektrisch leitender Pfad zwischen der Gewebekathode 19 und irgendeiner Schaltung zum Vorsehen einer elektrischen Potentialdifferenz über der Röhre 18 wird durch die Elemente 30 und 32, den Zylinder 28 und durch einen elektrisch leitenden ringförmigen Flansch 34 vorgesehen.connected to one another by spot welding or otherwise and are shaped so that the tissue cathodes are retained between the clamping members when they are connected to one another. the Clamps are connected to the metal cylinder 28 of the x-ray tube 18 by spot welding or otherwise. One electric conductive path between the tissue cathode 19 and some circuit for providing an electrical potential difference Above the tube 18 is through the elements 30 and 32, the cylinder 28 and provided by an electrically conductive annular flange 34.

Die relativen Abmaße der Graphitgewebeteile 20 und 22, der Abstand zwischen diesen Teilen und der Anode 26 und die Größe des elektrischen Potentials, welches über der Röntgenstrahlröhre 18 während des Betriebes angelegt wird, bestimmen die Energie und Eindringtiefe der erzeugten Röntgenstrahlung. Röntgenstrahlröhren mit größeren Abständen zwischen Anode und Kathode und mit größerer Röhrenimpedanz und solche Röhren, die ein größeres elektrisches Potential bzw. Impulse während des Betriebes erhalten, erzeugen eine energiereichere Röntgenstrahlung mit größerer Eindringleistung als solche mit kleinem Abstand zwischen Anode und Kathode, die kleinere elektrische Potentialimpulse empfangen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel, also einer Röntgenstrahlröhre, die so ausgelegt ist, daß sie einen elektrischen Potentialimpuls zwischen 100 und 300 Kilovolt empfängt, wurden die Gewebekathodenteile 20 und 22 eine Länge von ca. 5 mm längs der Kanten 36 und 38 jeweils aufweisen. Der Abstand zwischen den Kanten 4C und 42 dieser Kathodenteile und der Anode 26 würde ca. 13 mm betragen.The relative dimensions of the graphite fabric parts 20 and 22, the distance between these parts and the anode 26 and the magnitude of the electrical potential which is across the X-ray tube 18 is applied during operation, determine the energy and penetration depth of the generated X-rays. X-ray tubes with larger distances between anode and cathode and with larger tube impedance and tubes that have a larger one electrical potential or pulses received during operation, generate a higher-energy X-ray radiation with greater Penetration performance as those with a small distance between anode and cathode, which receive smaller electrical potential impulses. In a typical embodiment, an x-ray tube designed to generate a pulse of electrical potential receives between 100 and 300 kilovolts, the tissue cathode parts 20 and 22 have a length of about 5 mm along the Having edges 36 and 38, respectively. The distance between the Edges 4C and 42 of these cathode parts and the anode 26 would be approximately 13 mm.

Im Betrieb werden Röntgenstrahlen dadurch erzeugt, indem man entweder ein.großes positives elektrisches Potential an die Anode 26, oder ein großes negatives elektrisches Potential an die Kathodenteile 20 und 22 anlegt, um eine große Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode der Röntgenstrahlröhre zu orzeugen. Diese Potentialdifferenz bewirkt, daß Elektronen von den einzelnen Fasern der Gewebekathode emittiert werden. DioseIn operation, X-rays are generated by applying either a large positive electrical potential to the Anode 26, or a large negative electrical potential applied to the cathode parts 20 and 22, to a large potential difference between the anode and cathode of the X-ray tube. This potential difference causes electrons from the individual fibers of the tissue cathode are emitted. Diose

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emittierten Elektronen fliegen zu der Anode und schlagen auf dieser auf, u. zw. mit ausreichender Geschwindigkeit, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Man hat festgestellt, daß bei gut dosierten und bemessenen Impulsen Röntgenstrahlen mit vorhersagbarer und bestimmter Energie- und Sindringleistung aus der Röntgenröhre 18 erhalten werden können. Die Röhre 18 besitzt auch eine große Lebensdauer. Da die Fasern so dünn sind, daß sie keinen angefasten Endabschnitt aufweisen brauchen, und da sie sich vollständig durch die Kathode erstrecken, so führt eine langsa- . me Erosion der Kathode während des Betriebes der Röhre nicht zu einer Änderung der QuerSchnittsform der Fasern, und es wird daher die Auslegung der Röntgenröhre nicht beeinflußt bis zu dem- ; jenigen Zeitpunkt, bei dem ein extrem großer Abschnitt der Kathode eroiert wurde. Die Röhre besitzt auch eine lange Betriebslebensdauer, da die einzelnen Fäden im wesentlichen senkrecht zur Anode 26 verlaufend angeordnet sind und als Elektronenemitter wirken, auch, wenn sie bereits eroiert wurden, derart, daß bereits Fäden parallel zur Anode verlaufen, zwischen der Anode und-den Enden dieser eroierten Fäden. Die Energie und die Eindringleistung der durch die Spannungsimpulse bestimmter Größe erzeugten Röntgenstrahlen bleibt auch im wesentlichen während dieser Lebensdauer der Röhre konstant.The electrons emitted fly to the anode and strike it, among other things with sufficient speed to generate X-rays to create. It has been found that with well-dosed and measured pulses, X-rays are more predictable and certain energy and Sindring power can be obtained from the x-ray tube 18. The tube 18 also has a long lifespan. Because the fibers are so thin that they do not need to have a chamfered end portion, and because they are Extend completely through the cathode, it performs a slow. me erosion of the cathode during operation of the tube does not occur a change in the cross-sectional shape of the fibers, and it will therefore the design of the X-ray tube is not affected up to that; that point in time at which an extremely large section of the cathode was eroded. The tube also has a long service life because the individual filaments are essentially perpendicular are arranged to run to the anode 26 and act as electron emitters, even if they have already been eroded, in such a way that threads already run parallel to the anode, between the anode and the ends of these eroded threads. The energy and penetration the x-rays generated by the voltage pulses of a certain magnitude also remain essentially during this lifetime of the tube is constant.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Röntgenstrahlröhre 44, die sich von der Röntgenstrahlröhre 18 dahingehend unterscheidet, daß die Kathode aus einem beilegscheibenförmigen Gr aphit gewebe ring 46 besteht, der kurz vor der Spitze der Anode 26 angeord- ^: net ist. Die beilegscheibenförmige Kathode 46 wird in einer ringförmigen Klemme 48 gehalten, die an den Zylinder 5υ der . Röntgenstrahlröhre 44 angeklemmt ist, Im Betrieb werden Elek- \ tronen von den Graphitfasern emittiert, welche die inseitige J Kante 52 der Kathodenscheibe 46 definieren. Diese emittierten ; Elektronen schlagen auf allen Stellen des konischen Abschnit- ' tes 54 der Anode 26 auf. Da jedoch die Spitze dieser Anode ; äußerst nahe bei der Kathode angeordnet ist, so schlägt eine ₍ sehr große Anzahl von emittierten Elektronen auf die Anodengpitze auf. Ein großer Teil der von der Röntgenröhre 44 emit-Figs. 4 and 5 show a second X-ray tube 44, which differs from the X-ray tube 18 to the effect that the cathode aphit from a beilegscheibenförmigen Gr fabric ring 46 is, angeord- shortly before the tip of the anode ^26: is net. The washer-shaped cathode 46 is held in an annular clamp 48 which is attached to the cylinder 5½ of the. X-ray tube is clamped 44, In operation, electron \ neutrons are emitted by the graphite fibers, which define the inseitige J edge 52 of the cathode disk 46th These emitted; Electrons strike all points of the conical section 54 of the anode 26. However, since the tip of this anode; is arranged extremely close to the cathode, so a ₍ very large number of emitted electrons strike the anode tip. A large part of the emitted by the X-ray tube 44

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tierten Röntgenstrahlen werden daher von der Spitze der Anode 26 emittiert. Obwohl einige Röntgenstrahlen von anderen Abschnitten dieser Anode 26 emittiert werden, so wird doch ein wesentlicher Teil der Röntgenstrahlung der Röhre 44 von einer kleinen Quelle emittiert, die einer punktförmigen Quelle nahekommt. Eine kleine Röntgenstrahlungsquelle führt zu einem hohen Auflösungsvermögen von Röntgenstrahlbildern. Dies ist deshalb der Fall, da ein RÖntgenstrahlbild ein Schattenbild ist. Bei einer großen Strahlungsquelle kann eine Strahlung von einem Abschnitt der Quelle einen Kantenabschnitt eines Negativs undeutlich machen, der durch Strahlung von einem anderen Abschnitt der Quelle vorgesehen wurde. Dies ist jedoch nicht bei einer kleinen Quelle oder einer punktförmigen Strahlungsquelle möglich, da alle Strahlen von demselben Punkt ausgehen. Die Röntgenstrahlröhre 44 hat daher ein hohes Auflösungsvermögen.directed x-rays are therefore from the tip of the anode 26 issued. Although some x-rays from other sections This anode 26 are emitted, so a substantial part of the X-ray radiation of the tube 44 is from a emits a small source that is close to a point source. A small source of x-ray radiation results in high resolution of x-ray images. This is why the case since an X-ray image is a silhouette. In the case of a large radiation source, radiation from one section of the source obscure an edge portion of a negative caused by radiation from another portion the source was provided. However, this is not possible with a small source or a point source of radiation, since all rays emanate from the same point. The X-ray tube 44 therefore has a high resolution.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine dritte Röntgenstrahlröhre 58 mit einer Graphitgewebekathode 60, die konzentrisch zur Achse der Anode 26 angeordnet ist und ebenso unmittelbar vor der Anode befestigt ist. Die Konstruktion zum Pesthalten der Kathode 60 besteht aus einem Metallzylinder 62 mit einem weiten ringförmigen Flansch 64, der die Außenseite des Gewebekathodenzylinders 60 umgibt und berührt, und aus einem breiten Leiterring 66, der in den Kathodenzylinder 60 innen eingepaßt ist. Die umgebogenen Metallstücke 68 klemmen den Kathodenzylinder 60 zwischen den Ring 66 und den Flansch 64 ein und halten somit den Kathodenzylinder 60 fest zwischen diesen zwei Elementen.6 and 7 show a third X-ray tube 58 with a graphite cloth cathode 60, which is arranged concentrically to the axis of the anode 26 and also immediately in front of the anode is attached. The structure for holding the cathode 60 consists of a metal cylinder 62 having a wide annular shape Flange 64, which surrounds and contacts the outside of the tissue cathode cylinder 60, and a wide conductor ring 66, which is fitted in the cathode cylinder 60 inside. The bent metal pieces 68 clamp the cathode cylinder 60 between the ring 66 and the flange 64 and thus hold the cathode cylinder 60 firmly between these two elements.

Im Betrieb werden Elektronen von der Kante 70 des Graphitzylin- i ders 6u emittiert. Eine große Anzahl dieser von der Kathode 60In operation, electrons are emitted from the edge 70 of the graphite cylinder 6u. A large number of these from the cathode 60

ι emittierten Elektronen schlagen auf die Spitze der Anode 26 auf und erzeugen einen gut definierten Röntgenstrahlkegel. Darüber hinaus absorbiert der breite Metallflanschabschnitt 64 Röntgenstrahlen und reduziert dadurch die Anzahl der Röntgenstrahlen, die sich in Richtungen ausbreiten, die scharf von der Achse derEmitted electrons strike the tip of the anode 26 and create a well-defined cone of x-rays. In addition, the wide metal flange portion 64 absorbs X-rays and thereby reduces the number of x-rays that propagate in directions that are sharp from the axis of the

! Röntgenstrahlröhre 58 divergieren.! X-ray tube 58 diverge.

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Obwohl die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, so sind eine Eeihe von Abwandlungen für einen Fachmann durchführbar. Als erstes Beispiel einer solchen Abwandlung kann man die Graphitgewebekathoden aus Sorten von Graphitgeweben herstellen, die entweder weniger oder mehr Fasern pro cm aufweisen als die beschriebenen Sorten. Die bei den Ausführungsbeispielen verwendeten Gewebe wurden nur deshalb gewählt, da derartige Sorten im Handel erhältlich sind und sie unmittelbar als wirkungsvolle Kathoden zum Einsatz gebracht werden können. Es sind beispielsweise auch Graphitgewebe mit Faserdurchmesser zwischen 25/10.OOÜ mm und 4ü/1 .Ουϋ mm erhältlich und ebenso Gewebe mit einer Anzahl von 200 Fasern für jeden Faden erhältlich und können für Kathoden verwendet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Kathoden aus anderen Geweben als aus Graphitgewebe herzustellen, die eine hohe Temperaturwiderstandsfähigkeit besitzen, ebenso eine hohe Zugfestigkeit und einen niedrigen elektrischen Widerstand. Auch besteht kein Zwang, die Kathoden genauso auszuführen, wie sie in den drei Ausführungsbeispielen gezeigt wurden. Zum Beispiel kann eine Röntgenstrahlröhre ähnlich der Röhre 18 mehr als zwei Gewebeelemente aufweisen. Bei einer Rohre ähnlich entweder der Rohre 44 oder 58 kann die Kathode längs der Anode angeordnet werden und braucht nicht vor dieser angeordnet zu sein. Es können auch Kathoden verwendet werden, die andere Formen aufweisen als die veranschaulichten Formen. Schließlich ist die Verwendung von Gewebekathoden auch nicht auf RÖntgenstrahlröhren beschränkt. Gewebekathoden können beispielsweise auch bei vielen Tfikrowellen-Anwendungen herangezogen werden, bei der Elektronenmikroskopie und bei irgendwelchen anderen Systemen mit einem hoch evakuierten Raum, der eine Elektronen emittierende Elektrode umgibt und ein.hohes elektrisches Potential in der Größenordnung von 100 Kilovolt oder mehr erforderlich macht, welches zwischen der Elektrode und anderen Elementen oder Element des Systems aufrechterhalten werden muß.Although the invention has been described using a few exemplary embodiments a number of modifications are feasible to one skilled in the art. As a first example of such a modification The graphite cloth cathodes can be made from types of graphite cloth that either have fewer or more fibers per cm than the varieties described. The in the embodiments The fabrics used were only chosen because such types are commercially available and they can be used directly as effective cathodes. There are also graphite fabrics with, for example Fiber diameters between 25 / 10,000 mm and 4/1 .Ουϋ mm are available and also fabrics with a number of 200 fibers for each thread are available and can be used for cathodes. It is also possible to manufacture the cathodes from fabrics other than graphite fabric, which have a high temperature resistance also have high tensile strength and low electrical resistance. Also exists no need to design the cathodes exactly as they were shown in the three exemplary embodiments. For example can an x-ray tube similar to tube 18 may have more than two pieces of tissue. In the case of a pipe similar to either the Tubes 44 or 58 can place the cathode along the anode and need not be arranged in front of this. Cathodes having other shapes can also be used than the illustrated shapes. Finally, the use of tissue cathodes is not restricted to X-ray tubes either. Tissue cathodes can also be used, for example, in many microwave applications, in electron microscopy and in any other system with a highly evacuated space, the electron-emitting electrode surrounds and a.hohes electrical potential of the order of 100 kilovolts or more requires which must be maintained between the electrode and other elements or elements of the system.

Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfin-All technical details mentioned in the description and illustrated in the drawings are necessary for the

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dung von Bedeutung,of importance,

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Claims

Patent claims

J field emission x-ray tube in which a high electrical potential is used to generate x-rays, comprising an evacuated flask having an anode and a cathode which are spaced apart and insulated from each other, characterized in that the cathode consists of a woven material, such as a fabric, and that the fabric has a certain number of threads, which are arranged running in a first direction and have free ends for electron emission, further has a second certain number of threads, which in a second direction are arranged to extend, said second number of threads, the ^electrical: NEN cross-emitting threads and supported; that further the fabric has a sufficiently high resistance to temperature;

Influences to erosion by melting and sublimation through the operation of the field emission x-ray tube To provide resistance, also has sufficient tensile strength to be able to withstand the large electrical Potential to oppose the tensile force exerted on the threads, which potential for the operation of the field emissi ons X-ray tube is required, and further has a sufficiently low electrical resistance to to provide a certain large number of electrons corresponding to the large electric potential.

2. X-ray tube according to claim 1, characterized in that! that the fabric consists of a graphite fabric, which is made of Ϊ consists of a large number of individual graphite fibers that act as electron emitters during operation of the X-ray tube works.

3. X-ray tube according to claim 2, characterized in that the graphite ^{fibers have} a diameter between 25 / 1ο · ^ΟυΟ mm and 4o / 1.Uwu mm; that further the graphite fabric threads! has, of which each thread at least 20½ individual thread

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sern owns; and that the graphite fabric has at least 8 parallel threads per cm, which in a first Direction are arranged running, and has at least 8 parallel threads per cm, which in a second Are arranged extending direction which includes an angle with the first direction.

4. X-ray tube according to claim 2, characterized in that that the graphite fibers have a diameter between 5/1 .Ouu mm and 10/1 .ϋυυ mm, and that the graphite fibers are threads shape, each thread between 480 and 1. * 4U individual Has fibers; that further the fabric has between 8 and 2υ parallel threads per cm, which in a Direction are arranged running, and between 8 and 20 parallel threads per cm, which in a are arranged to run in the second direction, which includes an angle with the first direction.

5. X-ray tube according to claim 1, characterized in that that the anode consists of a sharpened rod, and that the fabric cathode consists of a large number of rectangular pieces of fabric with each piece of fabric defining a plane that traverses the anode in a plurality of locations the length of the anode cuts.

6. X-ray tube according to claim 1, characterized in that the anode consists of a pointed rod, and that The fabric cathode consists of a washer-shaped ring that defines a plane extending from the tip of the anode has a spacing, with this spacing a large part of the from the cathode during operation of the X-ray tube emitted electrons are caused to hit the tip of the anode, causing a much of the x-rays emitted by the x-ray tube originate from essentially the same location.

7. X-ray tube according to claim 1, characterized in that

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.that the anode consists of a pointed stat, and that the tissue cathode consists of a tissue cylinder that is concentric is arranged to project the axis of the anode so that that of one end of the cylinder emitted electrons fly to the tip of the anode during the operation of the X-ray tube, and that the tissue cylinder is supported by a metal material which absorbs the X-rays traveling in undesired directions run during the operation of the X-ray tube.

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