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Röntgenstrahlenquelle Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlenquelle
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche- Röntgenstrahlenquellen sind
etwa bekannt aus der GB-PS 910 420.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Röntgenstrahlenquelle
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine flinkere und in der Form weitgehend
frei wählbare Gl:Lhkathode zu erhalten, insbesondere eine solche, deren ltnsprechgeschwindigkeit
hoch ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil dieses
Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.
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Bei den bekannten Röntgenstrahlenquellen werden die Glühkathoden in
der Regel mit dem Wechselstrom des Netzes, also einem solchen von 50 bis 60 Hz,
geheizt. Die Glühkathoden erhalten dazu hauptsächlich die Form von Glühwendeln.
Dazu muß aber der ganze Querschnitt des Glühdrahtes der Glühkathode erhitzt werden,
bevor ein hinreic}-"-n gleichmäßiger Elektronenstrom zur Erzeugung der Röntgenstrahlen
erhalten wird. Dies 1.:-aber
einen Zeitbedarf von wenigstens einer
Sekunde zur Folge.
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Auch bei den Geräten, die zur Verminderung des Gewichtes und des Volumens
mit gegenüber dem üblichen Netz erhöhter, d.h.
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mit Mittelfrequenz etwa von 500 bis 50.000 Hz betrieben werden, erhält
man keine wesentliche Verminderung dieser Anheizzeit, weil bei diesen Frequenzen
der Skineffekt praktisch noch nicht in Erscheinung tritt-und der ganze Querschnitt
des Glühdrahtes erhitzt werden muß.
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Für die Herstellung von Röntgenaufnahmen im'Verlauf einer Durchleuchtungsuntersuchung
ist es von wesentlicher Bedeutung, zu kurzfristig auswählbaren Zeitpunkten, z.B.
bei im Durchleuchtungsbild ersichtlichen ganz bestimmten Bewegungsphasen etc., diese
in der Aufnahme festhalten zu können. Dabei ist es notwendig, die Kathode von der
bei der Durchleuchtung niedrigen Temperatur möglichst trägheitslos auf diese nige
höhere zu bringen, die zur Aufnahme von Röntgenbildern erforderlich ist. Dies dauert
aber bei den bekannten Röntgengeräten in der Regel etwa eine Sekunde. In dieser
Zeit schreitet aber die Bewegung etc. fort, d.h. es treten Veränderungen ein und
das gewinschte Bild, das aufgenommen werden sollte, ist verloren. Für eine diagnostische
Auswertung der Bilder können so wichtige Fakten verschwinden.
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Durch die erfindungsgemäße Heizung der Glühkathode mit einem Wechselstrom,
dessen Frequenz im MHz-Bereich liegt, wird ein Skineffekt wirksam, d.h. bei Wechselstrom
dieser hohen Frequenz geht die Erhitzung der Kathode von den äußeren Schichten aus.
Die Oberfläche der Kathode kommt deshalb sehr schnell zum Glühen, ohne daß zugleich
auch das Innere mit aufgeheizt werden müßte. Dies bedeutet, daß es nach der Erfindung
möglich ist, in kürzester -e t eine gleichmäßig an der Oberfläche glühende Kathode
und 1 fLne gleichmäßig strahlende Elektronenquelle zu erhalten. Das ist aber Voraussetzung
für eine flink veränderbare Röntgerstrahlenquelle, wie sie bei der Röntgendiagnostik
erwünsc , ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anwendung von Hochfrequenz des MHz-Bereiches
zur Heizung der Glühkathode wird eine schnell ansprechende Röntgenröhre erhalten.
Bei der bekannten Heizung der Kathode mit Netz-Wechselstrom von 50 Hz ist demgegenüber
die Regelzeit, d.h.die zum Aufheizen erforderliche Zeit, auch wegen der Periodendauer
von 20 ms höher. Für Regelungen muB nämlich der Wechselstrom wenigstens einige Perioden
fließen, d.h. um für schnelle Hochheizung der Kathode mit Uberspannung arbeiten
und nach Maßgabe der Erwärmung regeln zu können, ist möglichst hohe Frequenz erwünscht.
Bei dieser ist die Dauer einer Periode wesentlich kürzer als bei den bisher verwendeten
Frequenzen. Besonders zu bevorzugen ist nach der Erfindung Wechselstrom von etwa
1 bis 100 MHz, weil dabei der Skineffekt schon wirksam wird und die Erzeugung dieser
Frequenzen einfach ist.
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Nach der Erfindung können die bekannten Kathodenausführungen auch
vereinfacht werden. So ist z.B. ein Stab aus Wolfram verwendbar, dessen Durchmesser
gleich oder kleiner 0,5 mm ist.Beim Durchmesser herkömmlicher Wendeln ist man an
die im Hinblick auf die vorgesehene Belastung zu wählende Dicke des verwendeten
Glühdrahtes gebunden. Bei Verwendung üblichen Wolframdrahtes von 0,22 mm Durchmesser
sind z.B. nur Wendeln erreichbar, deren Durchmesser oberhalb von etwa 0,6 mm liegt.
Wegen des bei der erfindungsgemäß verwendeten Hochfrequenz wirksam werdenden Skineffekts
können die abstrahlenden Kathodenflächen auch beliebige Form erhalten. So ist es
z.B. möglich, die Emitterflächen einer Fokussierung so anzupassen, daß auf der Anode
in einem Brennfleck beliebiger Form eine bestimmte erwünschte Verteilung der Elektronendichte
erhalten wird. Dies beruht darauf, daß der Strom beim Skineffekt nur in der Oberfläche
heizt und unabhängig vom Querschnitt ist, d.h. bei Änderungen des Querschnitts bleibt
der Strom konstant, solange der Umfang des Kathodenkörpers konstant bleibt.
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Durch die erfindungsgemäße Anwendung von Hochfrequenz im MHz-Bereich
wird eine ganz dünne Schicht an der Oberfläche der Kathode sofort aufgeheizt. Man
kann diesen Effekt noch dadurch steigern und verlängern, daß die Kathode z0B. aus
einer Schicht aus Wolfram hergestellt wird, die auf ein Kernmaterial aufgetragen
ist und dazwischen eine Schicht, welche die Übertragung von Wärme hemmt. Dies führt
zu einem Wärmestau in den äußeren Schichten und damit wiederum zu einer schnelleren
Aufheizung der Oberfläche der Kathode. Brauchbare Materialien für die Zwischenschicht
sind solche, die bei den Bedingungen an der Kathode einer Röntgenröhre, insbesondere
der hohen Temperatur, unter Aufrechterhaltung der Wärmeisolierung insbesondere niedrigen
Dampfdruck haben, damit das Hochvakuum ungestört bleibt. Solche Stoffe sind z.B.
Carbide, wie Hafnium-Carbid.
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Die Anwendung der Hochfrequenz kann z.B. durch induktive oder direkte
Ankopplung über einen Übertrager erfolgen. Der Ubertrager kann dabei im Röhrenschutzgehäuse
untergebracht sein, ebenso wie der Hochfrequenzsender. Der Ubertrager kann sehr
klein sein. Die Hochfrequenz kann aber auch mittels einer Spule induktiv auf einen
als Kathode wirkenden Körper übertragen werden. Durch die induktive Heizung ist
der zusätzliche Vorteil erzielbar, daß die Heizleistung auch ohne Zuleitungen auf
die Kathode gebracht wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend
anhand der in den Figuren dargestellten beispielsweisen Ausführungen der Erfindung
weiter erläutert.
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In der Fig. 1 ist schematisch eine Röntgenuntersuchungseinrichtung
im Übersichtsschaubild dargestellt, in der Fig. 2 die nach Fig. 1 benutzte Röntgenstrahler,,zuel~l-,
in
den Fig. 3 bis 5a unterschiedlich ausgestaltete Übertragungsmöglichkeiten der Hochfrequenz,
in der Fig. 6 eine geschichtet aufgebaute Kathode und in der Fig. 7 ist eine Möglichkeit
der induktiven Heizung der Kathode angedeutet.
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In der Fig. 1 ist mit 1 die Stützwand eines Röntgengerätes bezeichnet,
an welcher sich entlang einer Schiene 2 verschiebbare Halterungsmittel 3 befinden,
von welchen über einen Arm 4 eine Röntgenstrahlenquelle 5 getragen wird. Diese besteht
im Wesentlichen aus einem Strahlenschutzgehäuse 6, einem Strahlenaustrittstubus
7 und einem Kasten 8, in welchem sich Blenden zur Einstellung des Bildformats befinden.
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Zur Strahlenquelle 5 gehört außerdem noch ein Röntgenapparat 9, in
welchem sich die elektrischen, vom Netz gespeisten Versorgungseinheiten, wie Transformator,
Gleichrichter und Regelelemente etc., befinden. An mit 10 angedeuteten Verstellelementen
der Regelelemente werden die zur Aufnahme bzw. Durchleuchtung erforderlichen Größen
eingestellt. Die Quelle 5 ist über Kabel 11 und 12 am Apparat angeschlossen.
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Beim Betrieb tritt durch die Blenden des Kastens 8 ein Röntgenstrahlenbündel
aus, welches die Stützwand 1 und einen Patienten 13 durchdringt. Dann beaufschlagt
es die Anordnung, die zur Sichtbarmachung der Röntgenstrahlen am Gerät angebracht
ist, d.h. in vorliegendem Fall den Eingangsschirm eines Bildverstärkers 14. Das
so entstehende Bild gelangt über den Ausgang 15 des Bildverstärkers 14 in eine Fernsehaufnahmekamera
16 und kann an einem Monitor 17 auf einem Leuchtschirm 18 beobachtet werden. Der
Monitor 17 enthält neben anderen aus dem Fernsehen bekannten Einstellelementen eine
Taste 19, die mit den Regelelementen eines Apparates 9
in Verbindung
steht und bei deren Betätigung in an sich bekannter Weise ein Ablauf in Gang gesetzt
wird, ion dessen Verlauf die Heizung der Röhre 31 (Fig. 2) erhöht, in den zwischen
dem Bildverstärker 14 und dem Patienten 13 liegenden Teil 20 des Gerätes eine Kassette
21 eingeschoben und die Aufnahme ausgelöst wird.
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Bei der Betätigung der Taste 19 wird über die leitung 22 eines Kabels
11 ein Sender 23 für die Hochfrequenz von 20 MHz auf Aufnahmeheizung geschaltet.
Der zweite Pol zum Betrieb des Senders 23 liegt in bekannter Weise an Masse. Die
über einen Ubertrager 24 der Glühkathode 25 zugeführte Heizspannung wird dabei so
verändert, daß die für den geforderten Röhrenstrom nötige Emission erreicht wird.
Dadurch wird im Sinne der Veränderung der Intensität des Strahlenbündels, welches
den Patienten 13 durchdringt, die Belichtungszeit kurz gehalten. Die Umschaltung
auf die Kathode 26 kann dadurch erfolgen, daß die Ansteuerung des Senders geändert
wird. Dazu ist der zweite Sender 23' und-der zweite Übertrager 32 vorgesehen. Diese
Anordnung ist über eine gestrichelt gezeichnete leitung 22' in Be-trieb setzbar.Die
eigentliche Spannungsversorgung der Röhre mit Hochspannung erfolgt in bekannter
Weise unabhängig von der leitung 22 bzw. 22' über leitungen 27 und 28 der Kabel
11 und 12 mit im Apparat 19 aus dem Netz strom erzeugter und gleichgerichteter Hochspannung
von etwa 50 bis 150 kV. Die Anschlüsse liegen zwischen der. Kathodenanordnung 29
und der Anodenanordnung 30 an der Röhre 31.
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Die Zuführung der Heizspannung zur Kathode 25 kann so erfolgen, daß
gemäß Fig. 3 ein einfacher Übertrager 24 benutzt wird. In vorliegendem Fall bei
einer Heizung mit 100 MEIz ist nur ein Transformator, der --inige Windungen hat,
erforderlich.
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Entsprechend ist fiir die Kathode 26 ein getrennt -schaltbarer
Sender
23' mit Übertrager 32 vorgesehen. Die Zuleitung 33 dient der Zuführung des zur Erzeugung
der Röntgenstrahlen nötigen Potentials und des Röhrenstromes. Zur Verminderung einer
Wärmeableitung können an den Punkten 35, 36 und 36' in die Verbindungen der Glühkathodenteile
25 und 26 mit den Ubertragern 24 und 32 Kondensatoren der mit dem Symbol 37 herausgezeichneten
Arteingesetet werden. Ihre Kapazität beträgt in vorliegendem Fall etwa 20 pF und
ist demnach so dimensioniert, daß die Hochfrequenz keinen nennenswerten Widerstand
erfahrt. Die Zuführung der Hochspannung, die sonst über die leitung 33 erfolgt,
müßte dann aber zwischen der Kathode 26 und dem Kondensator 36 über die gestrichelt
angedeutete leitung 34 erfolgen, um für sie keine Unterbrechung zu haben. Entsprechend
27 Fig. 2 sind 33 und 34 auch an der mit 35 versehenen mittleren leitung anschließbar.
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Bei der Ausführung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, wird die Hochfrequenz
über leitungen 39 und 40 in den Kolben 38 einer Röhre eingeführt. Dort erfolgt mittels
einer einige Windungen aufweisenden Spule 41 die Ubertragung auf einen die Sekundärwicklung
des Übertragers darstellenden Draht der Heizwendel 42. Diese Ausbildung bietet den
Vorteil, daß bei nur geringer Wärmeableitung kurze Hochheizzeit möglich ist. Die
Umschaltung von Durchleuchtung auf Aufnahme kann so sehr schnell erfolgen.
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In der Fig. 5 wird in den Vakuumkolben 43 einer Röntgenröhre mittels
leitungen 44 und 45 Hochfrequenz eingeführt. Dort wird sie über Umbiegungen 46 und
47 in den Hohlraum eines in Anpassung an die gewünschte Länge der Kathode,in vorliegendem
Fall 0,5 bis 20 mm langen Röhrchens 48 von 0,5 mm lichter Weite und 0,1 mm Wandstärke
gebracht, das aus Wolfram besteht. An den Stellen 49 und 50 können die 1,5 mm starken,
aus Molybdän bestehenden Zuleitungen 44 und 45, entsprechend der Andeutung in Fig.
5a, eine Verringerung ihres Querschnitts
auf 0,5 mm aufweisen.
So wird die Wärmeableitung vermindert. Wegen des verringerten Querschnitts im Teil
52 ist Durchfluß von Wärme verringert.
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In der Fig. 6 ist eine Mehrschichtenkathode 53 skizziert, deren 0,05
mm starker äußerer Mantel 54 ebenso wie der einen Durchmesser von 0,4 mm aufweisende
Kern 55 aus reinem Wolfram bestehen. Die Zwischenschicht 56 ist 0, mm stark und
besteht aus wärmehemmender Substanz, wie Hafnium-Carbid. Bei dieser Anordnung wird,
wie in der Beschreibung bereits angedeutet, bei einer Erhitzung des Mantels 54 der
Wärmeübergang zum Kern 55 durch die Zwischenschicht 56 gehemmt. Die vom Einschalten
der Kathode bis zur Aufnahmebereitschaft vergehende Zeit wird so verkürzt, weil
die zu erhitzende Masse klein ist.
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In der Fig. 7 ist eine Röntgenröhre 57 dargestellt, die in ihrem Vakuumkolben
58 neben einer in bekannter Weise ausgebildeten Anodenanordnung 59 eine erfindungsgemäß
als Wolfram-Stäbchen ausgebildete Kathode 60 hat. Die Heizung erfolgt mittels einer
Induktionsspule 61, die über leitungen 62 und 63 an einem Hochfrequenzerzeuger liegt.
Bei einer leistung von einigen 100 Watt wird im Innenraum der Spule 61 ein Wechselfeld
erzeugt, welches die Kathode 60 zum Glühen bringt.
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Die dann davon ausgehenden Elektronen werden durch die Elektronenlinse
64, die übereine leitung 65 auf negativer Spannung von 0,2 bis 2,5 kV liegt, auf
den Teller 66 der Anodenanordnung 59 gelenkt. Dort entstehen durch Abbremsung der
Elektronen in bekannter Weise Röntgenstrahlen. Die Beschleunigung der Elektronen
wird durch Anlegen von Hochspannung zwischen der leitung 67 und dem Stutzen 68 der
Anodenanordnung 59 bewirkt. Die leitung 67 führt zum negativen Anschluß einer Stromquelle
und der S-tutzen 68 ist mit dem positiven Anschluß dieser Quell erden.