DE2408618B2 - Glühkathoden-Röntgenröhre mit einem Hochfrequenzerzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkathoden-Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Röntgenstrahlenquellen sind etwa bekannt aus der GB-PS 9 10 420.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Röntgenstrahlenquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine flinkere und in der Form weitgehend frei wählbare Glühkathode zu erhalten, insbesondere eine solche, deren Ansprechgeschwindigkeit hoch ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.

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 GlUhkathoden erhalten dazu hauptsächlich die Form von Glühwendeln. Dazu muß aber der ganze Querschnitt des Glühdrahtes der Glühkathode erhitzt werden, bevor ein hinreichend gleichmäßiger Elektronenstrom zur Erzeugung der Röntgenstrahlen erhalten wird. Dies hat aber einen Zeitbedarf von wenigstens einer Sekunde zur Folge. Auch bei Geräten, die zur Verminderung des Gewichtes und des Volumens mit gegenüber dem üblichen Netz erhöhter, d.h. 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.

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 diejenige höhere zu bringen, die zur Aufnahme von

ίο 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 gewünschte Bild, das aufgenommen werden sollte, ist verloren. Für eine diagnostische Auswertung der Bilder können so wichtige Fakten verschwinden.

Durch die 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 Zeit eine gleichmäßig an der Oberfläche glühende Kathode und damit eine gleichmäßig strahlende Elektronenquelle zu erhalten. Das ist aber Voraussetzung für eine flink veränderbare Röntgenstrahlenquelle, wie sie bei der Röntgendiagnostik erwünscht ist.

Durch die Hochfrequenz-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 muß nämlich der Wechselstrom wenigstens einige Perioden fließen, d. h. um für schnelle Hochheizung der Kathode mit Überspannung arbeiten und nach Maßgabe der Erwärmung regeln zu können, ist möglichst hohe Frequenz erwünscht. Bei dieser ist die Dauer einer Periode wesentlich kurzer 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 und die Erzeugung dieserFrequenzen einfach ist.

Nach der Erfindung können die bekannten Kathodenausführungen auch vereinfacht werden. So ist z. B. ein Stab aus Wolfram verwendbar, dessen Durchmesser

so 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 Wendein 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.

Durch die 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 z. B. 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 Kuihode. Brauchbare Materialien für die Zwischenschicht sind solche, die bei den Bedingungen an der Kathode einer Röntgenröhre, insbesondere der hohen Temperatur, unier Aufrechterhaltung der Wärmeisolierung insbesondere niedrigen Dampfdruck haben, damit das Hochvakuum ungestört bleibt. Solche Stoffe sind z. B. Carbide, wie Hafnium-Carbid.

Die Anwendung der Hochfrequenz kann z. B. durch induktive oder direkte Ankopplung über einen Übertrager erfolgen. Der Übertrager kann dabei im Röhrenschutzgehäuse untergebracht sein, ebenso wie der Hochfrequenzsender. Der Übertrager 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.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten beispielsweisen Ausführungen der Erfindung weiter erläutert. In der

F i g. 1 ist schernatisch eine Röntgenuntersuchungseinrichtung im Übersichtsschaubild dargestellt, in der

F i g. 2 die nach F i g. 1 benutzte Röntgenröhre, in den

F i g. 3 bis 5a unterschiedlich ausgestaltete Übertragungsmöglichkeiten der Hochfrequenz, in der

F i g. 6 eine geschichtet aufgebaute Kathode und in der

F i g. 7 ist eine Möglichkeit der induktiven Heizung der Kathode angedeutet.

In der Fig. 1 ist mit 1 die Stützwand eines Röntgengerätes bezeichnet, an welcher sich entlang einer Schiene 2 verschiebbare Haitungsmittel 3 befinden, von welchen über einen Arm 4 eine Röntgenröhre 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. Zur Strahlenquelle 5 gehört außerdem noch ein Röntgenapparat 9, in welchem sich die elektrischen, vom Netz gespeisten Versorgungseinheiten, wie Transformator, Gleichrichter und Regelelement 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.

Beim Betrieb tritt durch die Blende 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, in dessen Verlauf die Heizung der Röhre 31 (F i g. 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.

Bei der Betätigung der Taste 19 wird über die Leitung 22 eines Kabels 11 ein Sender 23 für die Hochfrequenz

ίο von 20MHz auf Aufnahmeheizung geschaltet. Der zweite Pol zum Betrieb des Senders 23 liegt in bekannter Weise an Masse. Die über einen Übertrager 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 Betrieb 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 Netzstrom 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.

Die Zuführung der Heizspannung zur Kathode 25 kann so erfolgen, daß gemäß F i g. 3 ein einfacher Übertrager 24 benutzt wird. In vorliegendem Fall bei einer Heizung mit 100 MHz ist nur ein Transformator, der einige Windungen hat, erforderlich. Entsprechend ist für 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 Übertragern 24 und 32 Kondensatoren der mit dem Symbol 37 herausgezeichneten Art eingesetzt werden. Ihre Kapazität beträgt in vorliegendem Fall etwa 20 pF und ist demnach so dimensioniert, daß die Hochfrequenz keinen nennenswerten Widerstand erfährt. 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 F i g. 2 sind 33 und 34 auch an der mit 35 versehenen mittleren Leitung anschließbar.

Bei der Ausführung, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, wird die Hochfrequenz über die Leitungen 39 und 40 in den Kolben 38 einer Röhre eingeführt. Dort erfolgt mittels einer einige Windungen aufweisenden Spule 41 die Übertragung 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.

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 Annassiinc an dip

gewünschte Länge der Kathode, in vorliegendem Fall 0,5 bis 20 mm langen Röhrchen 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.

In der Fig.6 ist eine Mehrschichtenkathode 53 skizziert, deren 0,5 mm starker äußerer Mantel 54 ebenso wie der einen Durchmesser von 0,4 mm aufweisenden Kern 55 aus reinem Wolfram bestehen. Die Zwischenschicht 56 ist 0,1 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.

In der F i g. 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

ίο Glühen bringt. Die dann davon ausgehenden Elektronen werden durch die Elektronenlinse 64, die über eine 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 Stutzen 68 ist mit dem positiven Anschluß dieser Quelle verbunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Glühkathoden-Röntgenröhre mit einem Hochfrequenzerzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode an den Hochfrequenzerzeuger angeschlossen ist, dessen Frequenz im MHz-Bereich liegt.

2. Glühkathoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz 1 bis 100 M Hz beträgt.

3. Glühkathoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode ein Röhrchen ist, in welches die Zuleitungen an beiden Enden hineinragen.

4. Glühkathoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem Mehrschichtenmaterial besteht.

5. Glühkathoden-Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen der Glühkathode Elemente enthalten, welche die Ableitung von Wärme hemmen.

6. Glühkathoden-Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode einen Kern aus Wolfram hat, auf den eine Schicht aufgetragen ist, die den Übergang von Wärme hemmt, und daß diese außen mit Wolfram beschichtet ist.

7. Glühkathodenröntgenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolfram 0,02 bis 0,08 mm stark aufgetragen ist.

8. Glühkathoden-Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode induktiv an den Hochfrequenzerzeuger angeschlossen ist.