DE2518688A1

DE2518688A1 - Linsen-gitter-system fuer elektronenroehren

Info

Publication number: DE2518688A1
Application number: DE19752518688
Authority: DE
Inventors: Robert Francis Heiting; Edward Taylor Rate
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-05-03
Filing date: 1975-04-26
Publication date: 1975-11-13
Also published as: CH614313A5; IT1037741B; DE2518688C2; CA1034181A; ES437333A1; BE828673A; FR2286499B1; US3916202A; FR2286499A1

Description

Linsen-Gitter-System für Elektronenröhren

Die Erfindung betrifft Elektronenröhren und wird insbesondere erläutert unter Bezugnahme auf eine Röhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.

In Verbindung mit Röntgjngeneratoren für die medizinische Diagnose ist es üblieh j Möglichkeiten zur Auswahl der Betriebskenngrößen vorzusehen, beispielsweise der Spannung Anode-Kathode, der Stromstärke des Elektronenstrahls, der ßrennfleckgröße und des Belichtungszeit-Intervalls. Für Verfahren hoher Geschwindigkeit und kurzer Belichtungsdauer, beispielsweise in der Röntgen-Kinematographie, wird die Röntgenröhre gewöhnlich mit einer Fokussierungselektrode ausgestattet, um das elektriscne Feld um den die Elektronen abgebenden Heizfaden so zu gestalten, daß der Querschnitt

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des Strahls so gesteuert wird, daß ein geeigneter Brennfleck auf dem Target der Anode gebildet wird. Die Steuerelektrode wird gewöhnlich bei der vollen Stromstärke des Elektronenstrahls auf Kathodenpotential betrieben und wird manchmal negativ vorgespannt, wenn eine Sperrung (Beschneidung) des Elektronenstrahls erwünscht ist. Die Steuerelektrode vermindert in unerwünschter Weise die elektrische Feldstärke in der Nachbarschaft des Heizfadens der Kathode und es entsteht eine Elektronenraumladung, welche die maximal verfügbare Stromstärke des Strahls begrenzt. Bisher war es üblich, einen Kompromiß zwischen der maximal erreichbaren Stromstärke des Strahls, dem kleinsten Vorspannungssperrpotential und der Größe des Brennflecks zu wählen. Dies ergibt sich teilweise daraus, daß in praktischer Hinsicht das Vorspannungssperrpotential eine Punktion der Größe des Brennflecks ist. Soweit dies bekannt ist, ist die größte Brennfleckgröße mit Möglichkeit für eine Sperrvorspannung typischerweise 1,2 mm, da für größere Abmessungen das Umschalten von Vorspannungen von mehr als 5 Kilovolt bei den benötigten Belichtungs- oder Stromdurchlaßintervallen in der Größenordnung von Millisekunden nicht praktisch ausführbar ist. Hohe Stromstärken wurden im allgemeinen nicht durch Vorspannung gesperrt.

Die meisten für Diagnosezwecke verwendeten Röntgenröhren mit Drehanode besitzen einen großen und einen kleinen Heizfaden, die selektiv eingeschaltet werden, um eine einzige Brennfleckgröße für jeden der Heizfäden zu erhalten. Es sind Vorspannungsnetzteile für die Fokussierungselektroden vorhanden, die eine Verringerung der Breitenabmessung des Brennflecks gestatten. Diese besitzen jedoch den Nachteil, den verfügbaren Strom in der Röhre dadurch zu verringern, daß die thermionische Kathode in Richtung der Sperrung des Strahlstroms vorgespannt wird, wenn zur Verringerung der Brennfleckgröße eine negative Spannung an der Elektrode angelegt wird. Bis zur heutigen Zeit waren kontinuierliche Brennfleckgrößen nicht praktisch durchführbar oder verfügbar wegen der starken Änderungen des verfügbaren Strahlstroms, welche sich dabei ergeben hätten.

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Bei den vorbekannten Röntgenröhren hat die Schwierigkeit der Steuerung der Brennfleckgröße und der Strahlsperrung mit angemessenen niedrigen Vorspannungen eine Begrenzung für die zulässigen Strahlstromstärken ergeben. Allgemein werden Röntgenröhren in einer Betriebsart mit Begrenzung durch die Temperatur oder durch die Emission betrieben, d. h. die Strahlstromstärke wird durch Einstellung des Heizstroms und damit der Heizfadentemperatur gesteuert. Die Geometrie der Pokussierungselektroden, die räumliche Form des elektrostatischen Feldes und die hohen erforderlichen Vorspannungspotentiale in den vorbekannten Röntgenröhren wirkten der Erzielung von Strahlstromstärken entgegen, welche den Emissionsgrenzen des Heizfadens angemessen waren.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Linsen-Gitter-System für eine Elektronenröhre, beispielsweise eine Röntgenröhre, wobei das Linsen-Gitter-System oder die Kathodenstruktur eine metallische Fokussierungselektrode umfaßt, in der eine becherförmige Vertiefung gebildet ist. Diese Vertiefung besitzt ein Paar beabstandeter Schlitze im Boden, in denen einzelne Heizfäden angeordnet sind, wobei ein Heizfaden für einen hohen Bereich der Strahlstromstärken und der andere für einen relativ kleineren Bereich der Strahlstromstärken dient. Die Heizfäden können alternativ zugeschaltet werden. Weiterhin ist die übliche Anode oder das Target enthalten, auf dem der Elektronenstrahl in einem Brennfleck auftrifft, aus dem dann die Röntgenstrahlen austreten. Es ist zu b_eachten, daß der vorstehende allgemeine Aufbau einer solchen Röhre bekannt ist.

In einer Röhre der zuvor beschriebenen Art wird ein elektrisches Feld mit einem hohen Gradienten zwischen der Kathode und der Target-Anode erzeugt, wenn die letztere an hohe Spannungen gelegt wird. In Diagnose-Systemen kann die Anoden-Spannung im Bereich von 70 Kilovolt Spitze bis I50 Kilovolt Spitze liegen, obwohl der Bereich manchmal auf niedrige und höhere Spannungen ausgedehnt ist. Bekanntlich können Äquipotentiallinien oder -oberflächen des elektrischen Feldes zwischen Kathode und Anode gemessen und bestimmt oder aufgezeichnet werden. Die räumliche Gestalt der ver-

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schiedenen Äquipotentiallinien und der Potentialgradient bestimmen den Pokussierungseffekt des Feldes. Um den vollen Elektronenstrahlstrom zu erhalten, wird die Pokussierungsbecherelektrode auf dem gleichen Potential eingestellt wie der Kathoden-Heizfaden, und in diesem Falle wird der Strahl auf dem Target in einem Fleck fokussiert, der eine vorgegebene Breite besitzt. Wenn es erwünscht ist, den Strahl zu sperren oder zu beschneiden, dann wird das Potential der Fokussierungselektrode sehr negativ bezüglich des Heizfadens gemacht.

In vorbekannten Röhren wird manchmal eine weitere Steuerelektrode oder ein Gitter zwischen der Fokussierungselektrode und der Targetanode eingefügt, um eine weitere Steuerung der Elektronenstrahlen-Stromstärke zu erhalten. Ein Hauptnachteil dieser Anordnung besteht darin, daß ein übermäßig hoher Gitterstrom fließt und zu einer überhitzung des Gitters führt, wenn das Vorspannungspotential des Gitters positiv bezüglich der Kathode wird. Daher wurden vorbekannte Steuerelektroden üblicherweise bei einer negativen Spannung bezüglich des Heizfadens betrieben, um einen Gitterstrom zu vermeiden, und in diesem Falle konnte wegen der Begrenzung durch Raumladung die Strahlstromstärke nicht bis auf die durch die Temperatur bestimmten Grenzwerte der Emissionsfähigkeit der Kathode oder des Heizfadens gesteigert werden. Die vorbekannten Steuergitter beeinträchtigten auch nachteilig die Qualität des Brennflecks, da das Gitter in einem Brennfleck abgebildet wurde.

In dem neuen, hier beschriebenen Linsen-Gitter-System wird eine Steuerelektrode in der Nähe der Fokussierungs-Elektrode angeordnet. Die Steuerelektroden-Oberfläche, die am weitesten von dem Heizfaden in Richtung der Anode abgelegen ist, wird koinzident mit einer bestimmten Äquipotentialfläche gemacht und besitzt praktisch die gleiche Oberflächengestalt. In einer bevorzugten Form der Erfindung wird eine Äquipotentialfläche entsprechend einem vorgegebenen Potential gewählt. Als Beispiel kann ein relativ geringer Anteil der Spannung zwischen Kathode und Anode gewählt werden. Wenn dieser niedrige Bruchteil der Spannung

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Kathode nach Anode an diesem neuartigen Steuerelement relativ zur Kathode angelegt wird, dann wird der Elektronenstrahl von dem gewählten Heizfaden an der Anode mit einer vorgegebenen Abmessung des Brennflecks fokussiert, da die Bahnen der Elektronen nicht verändert werden. Änderungen des Potentials an der Steuerelektrode gestatten jedoch eine Vergrößerung oder Verringerung der Breitenabmessung des Strahls und Brennflecks, ohne irgendeine Änderung des Anodenpotentials zu erfordern und ohne in nennenswerter Weise die GesamtStromstärke des Elektronenstrahls aachteilig zu beeinflussen. Wenn die Steuerelektrode etwa halb so negativ gemacht wird, wie dies zuvor erforderlich war, dann wird die Strahlstrcmstärke vollständig gesperrt. Die Steuerelektrode besitzt keine Gitterdrähte, welche auf dem Brennfleck abgebildet werden können.

Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 ist ein Längsschnitt einer Röntgenröhre mit Drehanode, bei der einige Teile ausgelassen sind und welche das neue Linsen-Gitter-System enthält.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht der Kathodenstruktur oder des Linsen-Gitter-Systems entlang der Linie 2-2 in Figur 1.

Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3~3 in Figur 2. Figur 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in Figur 2. Figur 5 ist ein Schnitt entlang der Linie 5~5 in der Figur 3.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Linsen-Gitter-Struktur und zeigt die räumliche Gestalt und die Lage einiger Äquipotentiallinien.

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Figur 7 ist eine Kurve und zeigt die Beziehung zwischen dem positiven Vorspannungspotential an der Steuerelektrode und der Breite des Brennflecks für zwei verschiedene Brennfleckgrößen in einer Röhre, welche die erfindungsgemäßen Prinzipien verwendet.

Figur 8 ist eine elektrische Schaltzeichnung für eine Röntgenröhre, in welcher die Erfindung verwendet wird.

Die Figur 1 zeigt eine Röntgenröhre, in welcher das neue Linsen-Gitter-System verwendet wird. Die Röhre umfaßt ein Target oder eine Anode 10, die auf einem Rotor 11 befestigt ist, der innen zur Drehung auf einem Stab 12 gelagert ist. Eine Verlängerung ergibt die Möglichkeit zum Anschluß einer Leitung zur Zufuhr der Anodenspannung. Die Anode 10 besitzt eine abgeschrägte Elektronen-Aufpralloberfläche 14, auf der ein Elektronenstrahl in einem Brennfleck fokussiert wird, aus dem Röntgenstrahlen austreten. Mit Abstand von dem Target 10 ist die neuartige Kathodenstruktur oder das Linsen-Gitter-System angeordnet, das allgemein mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet ist. Die Kathodenstruktur 15 ist auf einerHalterungseinrichtung 16 gehaltert, die einen Bodenring 17 besitzt, dessen Ecken in die Enden eines kreisringförmigen eingestülpten Glasabschnittes 18 abgedichtet eingeführt sind, der einen Teil des evakuierten Kolbens der Röntgenröhre bildet. Der mittlere Teil des Kolbens umfaßt eine dünne Metallhülle 19, die mit einem dünnen Fenster 20 ausgestattet ist, das aus Metall oder Glas bestehen kann und durch welches der nutzbare Röntgenstrahl aus dem Brennfleck auf der Target-Oberfläche 14 austritt. Der Metallabschnitt 19 ist an einem Ende in ein rohrförmiges Element 21 aus Glas abgedichtet eingeführt, das bei 22 abgedichtet mit einem Haltestab 23 für die Drehanodenstruktur verbunden ist. Die üblichen Feldspulen zur Erzeugung der Drehbewegung des Rotors sind aus der Figur 1 weggelassen.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figuren 2 bis 5 zu einer ausführlicheren Beschreibung der Kathodenstruktur oder des Linsen-Gitter-Systems 15.

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Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß die Struktur 15 einen Metallkörper 30 mit im wesentlichen kreisförmiger Gestalt umfaßt. Der Körper 30 wird hier als erste Fokussierungselektrode bezeichnet. Die Fokussierungselektrode 30 kann während des Betriebes eine Temperatur von bis zu 800 ⁰C besitzen und es ist daher erwünscht, diesen Körper aus einem geeigneten temperaturbeständigen Metall herzustellen, beispielsweise aus Nickel oder Molybdän, obwohl auch andere geeignete feuerfeste Metalle verwendet werden können. Der obere Teil der Elektrode 30 ist mit einem Paar von Nuten 31 und 32 (siehe Figur 2) ausgestattet. Die Nut 31 nimmt einen Heizfaden 33 für große oder st_arke Stromstärken auf und die Nut 32 nimmt einen Heizfaden 34 für geringere Stromstärken auf. Die Heizfäden sind elektrisch von der Fokussierungselektrode isoliert. Die Nuten können symmetrisch von einem Durchmesser beabstandet angeordnet werden, der von der Oberseite der Elektrode 30 in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene dort verläuft, wo die Bezugsziffer 35 in Figur 3 angeordnet ist. Die Nut 31 besitzt divergierende, abgestufte Wände 36 und 37, deren räumliche Gestalt eine Auswirkung auf das elektrostatische Feld und die Verteilung der Äquipotentiallinien in der Umgebung des Heizfadens 33 besitzt. In ähnlicher Weise besitzt die Nut 32 divergente abgestufte Seitenwände 38 und 39, welche den gleichen Zweck erfüllen. Der offene Raum zwischen den obersten vorstehenden Teilen 40 und 41 in der Elektrode 30 ist als Fokussierungsbecher oder Fokussierungselektrode charakterisiert. In einer Röhre mit einem Heizfaden würden die divergierenden Wände des vertieften Teils des Fokussierungsbechers symmetrisch zum Heizfaden liegen.

Die Struktur ist auch noch mit einer zweiten, für die Elektronen durchlässigen Linsen-Gitter-Elektrode ausgestattet, die allgemein mit der Bezugsziffer 45 bezeichnet ist und von der Elektrode 30 gehalten wird. Die Elektrode 45 ist vorzugsweise zylindrisch und besitzt eine kreisringförmige Seitenwand 46 und einen im wesentlichen ebenen Teil 47. Der Teil 47 besitzt einen diametral oder quer verlaufenden Schlitz und die Seiten cder Kanten 48 und 49 dieses Schlitzes divergieren gegeneinander nach außen mit einer besonderen Raumgestalt, welche noch im einzelnen später erläutert

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wird. Der Schlitz ist allgemein durch die Bezugsziffer 50 bezeichnet. Ein kleines, stabähnliches Element 51, welches in diesem Falle einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzt, erstreckt sich in der Länge des Schlitzes 50 und entlang dessen Mittellinie. Der Stab 51 sollte so eben und dünn wie möglich sein, er wird jedoch halbkreisförmig hergestellt, um die erforderliche Festigkeit zu erhalten. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist ein Ende 52 des Stabes 51 durch Punktschweißung am Kreisring 46 befestigt und über dem anderen Ende 53 liegt ein Metallstreifen 54, dessen entgegengesetzte Enden ebenfalls durch Punktschweißung an der Wand 46 befestigt sind. Daher ist der Stab 51 festgelegt und kann nicht entfernt werden; er kann sich jedoch in Längsrichtung unter dem Streifen 54 ausdehnen, wenn er intensiv erhitzt wird, ohne dabei innere Spannungen zu erzeugen, welche sonst den Stab verformen würden. Der Stab 51 nimmt teil an dem Aufbau der räumlichen Gestalt des elektrostatischen Feldes, das zur Fokussierung und Steuerung der einzelnen gewählten Elektronenstrahlen erforderlich ist.

Aus den Figuren 3 und 4 ist ersichtlich, daß die kreisringförmige Wand oder der Rand 46 der Steuerelektrode 45 konzentrisch beabstandet zu dem radial verlaufenden Teil 55 des Elektrodenkörpers 30 ist. Zwischen dem Teil 55 und der Wand 46 wird daher ein kreisringförmiger Spalt 56 zur elektrischen Isolation des Steuerelementes 45 von der Elektrode 30 gebildet. Vier mit gleichem Winkelabstand angeordnete Keramik-Stifte 57 bis 6Ö ragen aus Löchern 6l in der Elektrode 30 heraus. Diese Stifte sind in öffnungen 62 in der kreisringförmigen Wand 46 der Steuerelektrode eingesetzt und in diesen Löchern durch ein umschließendes kreisringförmiges Metallband 63 festgehalten, das in den äußeren Umfang der Wand 46 eingesetzt und dort beispielsweise durch Anschweißen befestigt ist. Die Halterungsstruktur mit Stiften ergibt die Möglichkeit zur thermischen Ausdehnung und Kontraktion der Steuerelektrode 45 und der Elektrode 30, ohne dabei unzulässige innere Spannungen in einem der beiden Teile zu erzeugen. Ein Vorteil der Konstruktion besteht darin, daß sie die Notwendigkeit zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Steuer-

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elementes und des Körpers des Fokussierungsbechers beseitigt und daher eine Wahl unter einer größeren Zahl von Metallen zur Herstellung dieser Komponenten möglich ist.

Wie aus der Figur 4 ersichtlich, werden die elektrischen Anschlüsse zu dem Heizfaden 34 durch Keramikhülsen 67 und 68 hergestellt, durch die Zuleitungsdrähte 69 und 70 geführt und mit den Enden des Heizfadens 34 verbunden sind. Die Zuleitungen für den großen Heizfaden 33 sind ebenfalls durch ein Paar keramischer Hülsen geführt, von denen eine Hülse 71 in Figur 3 sichtbar ist.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 6 zur Erläuterung der Funktion des Linsen-Gitter-Systems. Diese Figur zeigt schematisch die geometrischen Verhältnisse der Fokussierungselektrode 30, der oberen Oberfläche 45 der Steuerelektrode, des die Vertiefung der Elektrode unterteilenden Stabes 51 und der Anode 10 mit ihrer Elektronen-Aufprall-Targetoberfläche 14. Die Heizfäden 33 und 34 sind in ihren Nuten 31 bzw. 32 gezeigt. Einige der elektrostatischen Äquipotentiallinien zwischen der Kathodenstruktur und der Anode sind ebenfalls dargestellt. Es ist zu beachten, daß die Längsachsen der DralltwendeIn der Heizfäden 33 und 34 parallel zur Elektronen-Aufprall-Oberfläche 14 der Anode 10 in Figur 6 sind. Zur Erzielung dieser parallelen Anordnung ist die Stirnfläche der Kathodenstruktur 15 nach Figur 1, die am nächsten zur Targetoberfläche 14 ist, unter einem Winkel bezüglich der Längsachse der Röhre angeordnet. In Figur 1 erstrecken sich die Längsachsen der Heizfäden 33 und 34, welche in dieser Figur nicht sichtbar sind, allgemein radial von der Mitte der Röntgenröhre oder in radialer Richtung des Targets. Wenn die Achsen der Heizfäden und der Targetoberfläche stark nicht parallel sind, dann geht die Symmetrie des elektrostatischen Beides und der Äquipotentiallinien verloren, wenn die Steuerspannung geändert wird. Der unterteilende Stab 51 ist in Figur 6 ebenfalls enthalten. Wie bereits früher angedeutet, soll dieser Stab 51 vorzugsweise eben und so dünn wie möglich sein, so daß er in einer Ebene koinzident mit der Ebene derjenigen Äquipotentialfläche liegt, die einem Potential gleich einem vorgegebenen Bruchteil des Potentials zwischen Kathode und Anode entspricht.

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In Figur 6 sind die stark ausgezogenen Äquipotentiallinien 80 bis 86 die Linien, die vorhanden sind, wenn an dem Linsen-Gitter 45 ein Vorspannungspotential gleich dem Äquipotentialwert der Linie vorhanden ist, welche mit dem räumlichen Verlauf ihrer Oberflächen 48 und 49 übereinstimmt. Wie bereits zuvor erläutert, wird der von einem der Kathodenheizfäden 33 oder 34 abgegebene Elektronenstrahl auf der Anodenoberfläche 14 mit einer vorgegebenen Fleckgröße projiziert, wenn diese Bedingung vorhanden ist, und die Laufbahn der Elektronen wird dann nicht durch das gewählte Äquipotential beeinflußt. Die bestimmte, in Figur 6 gezeigte Äquipotentialkurve stellt denjenigen Fall dar, in dem zwischen dem Linsen-Gitter 45 und den Heizfäden 33 und 34 ein Potential entsprechend 5 % der Spannung zwischen Kathode und Anode angelegt werden. Der Wert der Äquipotentiallinien, ausgedrückt in Prozent der Spannung zwischen Kathode und Anode, ist auch noch an den ausgezogenen Linien 80 bis 86 angegeben. Die Äquipotentiallinien zwischen 20 % und 100 % der Spannung zwischen Kathode und Anode sind aus der Kurvendarstellung in Figur 6 weggelassen. Die weggelassenen Linien verlaufen allmählich stärker geradlinig als die 20 %-Linie 86 und werden letztedEndes praktisch parallel zur Anodenoberfläche 14 und zueinander verlaufen. Die Äquipotentialkurven wurden durch Verfahren erhalten, wie sie für den Fachmann auf dem Gebiet der Elektronenröhren bekannt sind,und müssen daher nicht im einzelnen beschrieben werden.

In Figur 6 könnte das Linsen-Gitter 45 auch so gestaltet werden, daß seine gekrümmten Oberflächen 4 8 und 49 und die geradöv^^bberflachen, welche sich in diesen Verlauf einfügen, mit irgendeiner anderen Äquipotentiallinie koinzident sind, beispielsweise der 7,5^-Linie oder irgendeiner Linie unterhalb 5 % , beispielsweise der ⁱ\%- oder der 3#-Linie, die hier nicht gezeigt sind. In jedem Falle ist es innerhalb gewisser Grenzen notwendig, an die Steuerelektrode 45 ein Vorspannungspotential anzulegen, dessen Wert gleich dem Wert des Äquipotentials ist, um zu erreichen, daß die Laufbahn der das Feld durchlaufenden Elektronen nicht durch die Äquipotentialoberfläche geändert werden, welche koinzident mit der Oberfläche des Linsen-Gitters ist. Praktisch ist es erwünscht,

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die Steuerelektrode 45 auf einem Äquipotential anzuordnen, das in seinem Wert einem Vorspannungspotential im Bereich von 1 % bis 15 % der angelegten Spannung zwischen Anode und Kathode entspricht. Die Wahl eines höheren Äquipotentiale als 15 % würde erfordern, daß man die Röhre mit einer unzulässig hohen Vorspannung betreibt.

In der Figur 6 wird die normale 6#-Äquipotentiallinie, die besteht, wenn eine Vorspannung von 5 % an dem Linsen-Gitter 45 an-* gelegt wird, teilweise als strich-punktierte Linie 87 gezeigt. Hierdurch soll dargestellt werden, was geschieht, wenn die Vorspannung an dem Linsengitter auf 6 % der Spannung zwischen Kathode und Anode abgeändert wird in einem Falle, bei dem die Oberflächengestalt des Linsen-Gitters mit dem 5^-Äquipotential übereinstimmt. Wenn daher eine Vorspannung von 6 % an das Linsen-Gitter angelegt wird, dann verschiebt sich die 6^-Äquipotentialfläche und folgt teilweise dem räumlichen Verlauf der Oberflächen 48 und 49, die auf Äquipotential-Potential liegen, und nimmt weiterhin die Form der strich-punktierten Linie 88 an. Das tatsächliche Endergebnis besteht darin, daß der Kathoden-Heizfaden einem stärker positiven Einfluß unterliegt. In anderen Worten wird die Feldstärke erhöht, welche dem Elektronen emittierenden Heizfaden 33 oder 34 dargeboten wird, und es ergibt sich eine Erhöhung des maximal verfügbaren Strahlstroms, vorausgesetzt, daß der Heizfaden nicht in einer Betriebsart mit Begrenzung durch Emission oder Temperatur betrieben wird. Röntgenröhren werden jedoch gewöhnlich in einem Zustand mit Begrenzung der Emission durch die Temperatur des Heizfadens betrieben und es ist gewöhnlich eine beträchtliche Raumladung vorhanden. Die Auswirkung der Erhöhung des positiven Potentials am Linsen-Gitter 45 gemäß der Erfindung gestattet jedoch eine Änderung der Breite des Brennfleckes, ohne in nennenswerter Weise den Targetstrom oder die Targetspannung zu verändern, wie dies durch die Erfindung angestrebt wird.

Ein wichtiger Aspekt der Koinzidenz des räumlichen Verlaufs der Oberfläche der Linsen-Gitter-Elektrode 45 mit einer ausgewählten Äquipotentialfläche besteht darin, daß an dem Linsen-Gitter 45

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positive Steuerspannungen angelegt werden können, ohne daß hierbei ein nennenswerter Elektronenstrom in das Gitter fließt. Daher wird gemäß der Erfindung die Strahlstromstärke nicht als Ergebnis der Gittersteuerung vermindert und es erfolgt auch keine hierdurch bewirkte Erhitzung des Gitters, wie dies bei den vorbekannten gittergesteuerten Röhren der Fall war. Als Beispiel wurde bei einer gemäß der Erfindung aufgebauten Röntgenröhre eine Gitterstromstärke von lediglich 600 Mikro-Ampere gemessen bei einem Stromdurchgang von 1800 Milli-Ampere Elektronenstromstärke zwischen Kathode und Anode, obwohl das Linsen-Gitter positiv bezüglich des aktiven Heizfadens war.

Neben der Ermöglichung der Beherrschung der Breite des Strahls durch Veränderung des positiven Vorspannungspotentials auf dem Linsen-Gitter *15 gestattet das neuartige Linsen-Gitter-System auch noch eine vollständige Stromabsperrung in der Röntgenröhre, wenn sie auf hohen Potentialen zwischen Kathode und Anode arbeitet. Wie bereits zuvor angedeutet, wird angenommen, daß bieher die größte Brennfleckabmessung mit Möglichkeit der Sperrung durch Vorspannung typischerweise 1,2 mm betrug, da die Schaltung von Vorspannungen von mehr als 5 Kilovolt in den Zeiträumen der Belichtung von Millisekunden als unpraktisch betrachtet wurde. Typischerweise wurde im Stand der Technik bei Spannungen zwischen Kathode und Anode von 75 Kilovolt Spitze (kvp) eine negative Vorspannung von 5 Kilovolt benötigt, um eine Brennfleckgröße von 1,2 mm zu sperren. Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung wird ein vollständiges Sperren des Strahlstroms mit einer negativen Vorspannung von 3,5 Kilovolt am Linsen-Gitter 45» bezogen auf den Heizfaden, für jede Abmessung des Brennflecks erreicht bei einer Spannung von 150 Kilovolt zwischen Kathode und Anode. Weiterhin ergibt sich als Auswirkung der positiven Gitter-Steuerung gemäß der Erfindung eine Möglichkeit zur Änderung der Pleckbreite von weniger als 0,6 mm auf mehr als 2,0 mm in einer einzigen Röhre. Die Fleckbreite konnte dabei mit nur unwesentlicher Änderung der Strahlstromstärke über den größten Teil des nutzbaren Betriebsbereiches verändert werden.

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Die Figur 7 zeigt eine Kurve des positiven Vorspannungs-Potentials , welches an das Linsen-Gitter angelegt wird, ausgedrückt in Prozent der Spannung zwischen Kathode und Anode der Röhre über der Fleckbreite in mm, wobei in der Röhre das neue Linsen-Gitter-System verwendet wurde. Es ist zu beachten, daß die große Fleckbreite, welche durch den Strahl vom Heizfaden 33 erzeugt wurde, von unter 2 mm auf über 3 mm mit konstanter Spannung zwischen Kathode und Anode und konstanter Strahlstromstärke verändert wurde. Der kleinere Brennfleck, welcher durch die Kurve 92 dargestellt ist, wurde von etwa 0,5 mm auf über 2 mm geändert, wobei das Vorspannungspotential von etwa 3 % auf 5₃5 % der Spannung zwischen Kathode und Anode verändert wurde.

Die Einrichtungen zur Auswahl des einen oder anderen Heizfadens sind nicht gezeigt. Für den Fachmann ist jedoch verständlich, daß man den großen Heizfaden 33 zuschalten wird, wenn ein Strahl mit hoher Stromstärke erwünscht ist, beispielsweise für die verschiedensten rontgenographischen Verfahren. Wenn eine geringe Strahlstromstärke erwünscht ist, beispielsweise für Röntgendurchleuchtung (fluoroscopy), dann wird der Heizfaden J>k selektiv zugeschaltet, wobei der andere Heizfaden dann abgeschaltet ist. Man wird verstehen, daß die Äquipotentialkurve nach Figur 6, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Verwendung des Heizfadens 33 erörtert wurde, symmetrisch ist und daher das vorstehend Gesagte in gleicher Weise für die Verwendung des Heizfadens 3^ gilt.

Es ist auch interessant, daß bei einer gemäß der Erfindung hergestellten Röhre eine Strahlstromstärke von 3000 Milliampere bei einer Spannung von 65 Kilovolt an der Anode bei Heizfadentemperaturen erreichbar war, die gleich den Temperaturen sind, bei denen etwa die Hälfte des gleichen Strahlstroms in vorbekannten Röhren erzielt wurde. Der Grund hierfür besteht darin, daß das positiv vorgespannte Linsen-Gitter gemäß der Erfindung einen größeren Feldeinfluß in der Nachbarschaft der Heizfäden ermöglicht und in diesem Falle der Raumladungseffekt besser aufgehoben wird und diese Beschränkung der vorbekannten Röhren beseitigt v/ird.

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Die Figur 8 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Betriebes eines Röntgengenerators unter Benutzung des neuen Linsen-Gitters. Zur Vereinfachung ist nur eine Kathode oder nur ein Elektronenemitter 33 gezeigt, da die elektrischen Anschlüsse für einen anderen auswählbaren Emitter 34 gleichartig sind. Die Targetanode ist mit der Bezugsziffer 1O₃ die Pokussierungsbecheielektrode mit der Bezugsziffer 30 und die Linsen-Gitter-Elektrode mit der Bezugsziffer 45 bezeichnet, wie in den zuvor erörterten Abbildungen. Zwei Vorspannungsquellen 102 und 103 sind in Blockform gezeigt. Diese Vorspannungsquellen werden mit den Elektroden durch einen doppelpoligen Schalter 104 verbunden, der als mechanischer Schalter gezeigt ist, obwohl verschiedenste Arten von Schaltern verwendet werden können. Das Potential zur Beschleunigung der Elektronen von der Kathode 33 zur Targetanode kann über den Anschlüssen 105 und 106 zugeführt werden, wobei das Potential am Anschluß 105 ein negatives Potential ist und so weit unter dem Massepotential liegt, wie der Absolutwert des Potentials am Anschluß 10b positiv oder oberhalb Massepotential ist. Ein Masse- oder Mittenpotential-Anschluß ist gezeigt. Der Mittenpunkt wird am Mittelabgriff des Hochspannungstransformators erhalten, der nicht gezeigt ist, da er an sich bekannt ist. Die Metallhülle 19 der Röntgenröhre nach Figur 1 kann auf Erdpotential gelegt werden.

Wenn sich in Figur 8 der Schalter 104 in dem dargestellten Schaltzustand befindet, dann macht die Vorspannungsquelle 102 das Linsengitter 45 positiv bezüglich der Kathode 33 und der Fokussierungselektrode 30, und es fließt der volle Elektronenstrahlstrom zur Anode 10. Die Einstellung der Vorspannungsquelle 102 gestattet, daß verschiedene ausgewählte Brennfleckabmessungen erhalten werden können gemäß der Größe des positiven Potentials an der Linsen-Gitter-Elektrode 45, wie dies im einzelnen vorstehend beschrieben wurde.

Die Umschaltung des Schalters 104 in seinen anderen Schaltzustand legt an das Linsen-Gitter 45 und die Fokussierungselektrode 30 die Spannung von der Vorspannungsquelle 103 gleichzeitig an, so

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daß diese Elektroden beide negativ bezüglich des Emitters 33 sind und der Elektronenfluß zur Anode 10 gesperrt wird. Typischerweise wird ein negatives Potential von etwa 3500 Volt diese Sperrung bewirken, selbst für den Fall, in dem das Potential zwischen Anode 10 und Kathode 33 150 Kilovolt beträgt.

Vorstehend wurde zur Veranschaulichung eine einzige Ausführungsform des neuen Linsen-Gitter-Systems und seiner Betriebskenndaten beschrieben und es wurde eine neue Art der Halterung eines Linsen-Gitters mit beträchtlichen Einzelheiten besehrieben. Die ausführliche Beschreibung dieser einzelnen Ausführungsform soll jedoch keine Beschränkung der Erfindung darstellen.

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Claims

Patentansprüche

( 1.) Elektronen-Entladungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

a) eine Anode (10) und eine mit dieser zusammenwirkende Kathode (15),

b) wobei die Kathode (15) eine erste ein Feld ausbildende Elektrode (30) und eine Einrichtung (33> 34) zur Abgabe von Elektronen besitzt,

c) eine zweite Elektrodeneinrichtung (45) j die von der ersten Elektrode (30) elektrisch isoliert und von dieser in Richtung der Anode (10) beabstandet und allgemein quer zu dem Laufweg eines Elektronenstrahls zwischen der Einrichtung (33j 3²O zur Abgabe von Elektronen und der Anode angeordnet ist,

d) wobei die zweite Elektrodeneinrichtung (45) eine Oberfläche (48, 49) mit einer öffnung in derselben besitzt und die Oberfläche im wesentlichen in ihrem Verlauf einer ausgewählten Äquipotentialfläche folgt, durch welche sich die Elektronen von der Elektronen abgebenden Einrichtung (33j 3²O praktisch ohne Veränderung der Laufwege der Elektronen bewegen können, wenn die zweite Elektrodeneinrichtung (45) an einem positiven Potential liegt, das praktisch gleich dem Äquipotential-Potential ist und die Elektronen praktisch unbehindert durch diese öffnung treten können.

2. Elektronen-Entladungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die zweite Elektrode (45) so angeordnet ist, daß die Oberfläche (48, 49) praktisch mit einer ausgewählten Äquipotentialfläche im Bereich von 1 bis 15 % des an der Anode (10) angelegten Potentials koinzident ist.

3. Elektronen-Entladungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

a) die erste Elektrodeneinrichtung (30) besitzt einen zylindrischen Teil und die zweite Elektrodeneinrichtung (45)

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besitzt einen die erste Elektrodeneinrichtunpc (30) beabstandet umschließenden Teil und

b) sie besitzt eine Vielzahl von isolierenden Teilen (57 - 60), die praktisch unter gleichen Winkelabständen um die erste Elektrodeneinrichtung (30) herum angeordnet sind und bei denen entsprechende Enden im Eingriff mit der ersten Elektroaeneinrichtung (30) und gegenüberliegende entsprechende Enden im Eingriff mit dem zylindrischen Teil (46) der zweiten Elektrodeneinrichtung (45) sind.

4. Elektronen-Entladungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

a) die erste Elektrodeneinrichtung (30) besitzt eine Vielzahl von öffnungen (6l),

b) die zweite Elektrodeneinrichtung (45) besitzt einen die erste Elektrodeneinrichtung beabstandet umschließenden Teil (46), wobei die zweite Elektrodeneinrichtung den Öffnungen in der ersten Elektrodeneinrichtung zugewandte Öffnungen (62) besitzt, und

c) isolierende Stifte (57 - 60) erstrecken sich vom Innern der öffnungen (61) in der ersten Elektrodeneinrichtung (30) zum Innern der öffnungen (62) in der zweiten Elektrodeneinrichtung (45) zur Halterung der zweiten Elektrodeneinrichtung an der ersten Elektrodeneinrichtung.

5. Röntgenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

a) eine Target-Anodeneinrichtung (14) und eine erste davon beabstandete Elektrode (30) zur Formung des elektrischen Feldes j

b) eine Einrichtung (33, 34) zur Elektronen-Emission benachbart zur ersten Elektroden-Einrichtung (30) zur Erzeugung eines Strahls von Elektronen zum Aufprall auf die Target-Anoaeneinrichtung und zur Erzeugung von Röntgenstrahlung,

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c) eine zweite Steuer-Elektroden-Einrichtung (45) zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung (30) und der Target Anodeneinrichtung (14), welche ein leitendes Teil (47) enthält, das allgemein quer zum Laufweg des Elektronenstrahls angeordnet ist und eine öffnung besitzt, wobei dieses Teil eine der Target-Anode zugewandte Oberfläche besitzt,

d) diese öffnung durch eine Randoberfläche (48, 49) definiert ist, welche zusammen mit der Oberfläche des Teils im wesentlichen in ihrem Verlauf mit einer ausgewählten Äquipotentialfläche übereinstimmt, die vorhanden ist, wenn ein positives Potential auf der Anode (10) relativ zur ersten Elektrodeneinrichtung (30) anliegt, wobei die ausgewählte Äquipotentialfläche eine solche Fläche ist, welche die Elektronen ohne wesentliche Änderung ihrer Laufwege durchsetzen, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung (45) noch zur Zuschaltung eines positiven Potentials relativ zur ersten Elektrodeneinrichtung (30) eingerichtet ist, das im wesentlichen gleich dem ausgewählten Äquipotential ist, so daß die öffnung durch die Elektronen im wesentlichen ohne Behinderung durchsetzbar ist.

Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die erste Elektrodeneinrichtung (30) zur Feldformung mindestens zwei Nuten-Vertiefungen (31, 32) besitzt, die jeweils allgemein divergierende Seitenwände (36, 37, 38, 39) aufweisen,

b) die Elektronen-Emissionseinrichtungen (33, 34) jeweils in diesen Nuten (31, 32) angeordnet sind und

c) ein leitender Stab (51) sich über die öffnung in der zweiten Elektrodeneinrichtung (45) erstreckt und zwischen den Nuten (33, 34) ausgerichtet ist, wobei der Stab (51) mit der zweiten Elektrodeneinrichtung (45) elektrisch verbunden ist.

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7. Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die zweite Elektrodeneinrichtung (45) ein kreisringförmiges Teil (46) enthält, das an einem Ende durch das quer verlaufende Teil (47) eingeschlossen ist, wobei das kreisringförmige Teil die erste Elektrodeneinrichtung (30) zur Feldformung umschließt und praktisch konzentrisch zu derselben beabstandet ist,

b) eine Vielzahl von isolierenden Stifteinrichtungen (57 - 60) vorhanden sind, bei denen jeweils entsprechende Enden im Eingriff mit der ersten Elektrodeneinrichtung (30) und gegenüberliegende entsprechende Enden im Eingriff mit dem kreisringförmigen Teil (46) der zweiten Elektrodeneinrichtung (45) zur Halterung der zweiten Elektrodeneinrichtung an der ersten Elektrodeneinrichtung stehen.

8. Röntgenröhre nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das Teil (47) Kanten (48, 49) besitzt, welche die Öffnung definieren, und diese Kanten in ihrem räumlichen Verlauf so gestaltet sind, daß sie praktisch koinzident mit der ausgewählten Äquipotentialfläche sind.

9. Röntgenröhre nach Anspruch 5_S dadurch gekennzeichnet , daß:

a) die erste Elektrodeneinrichtung (30) mindestens zwei quer verlaufende Nuten (31_} 32) mit gegenüberliegenden divergierenden Seitenwänden (36 - 39) zur Formung des elektrischen Feldes besitzt, und

b) die Emissionseinrichtung (33, 34) einen länglichen Heizfaden in jeder der Nuten (31, 32) umfaßt.

10. Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß:

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a) die erste Elektrodeneinrichtung (45) mindestens zwei quer verlaufende Nuten (31, 32) mit entgegengesetzt divergierenden Seitenwände (36 - 39) zur Bildung derselben und zur Formung des elektrischen Feldes besitzt,

b) die Emissionseinrichtung einen länglichen Heizfaden (33,3¹I) in jeder der Nuten (31, 32) umfaßt und

c) einen Stab (51) koextensiv mit der öffnung, und zwischen den Seiten derselben zwischen den Emissionseinrichtungen (33, 34) im wesentlichen auf der ausgewählten Potentialfläche angeordnet ist.

11. Röntgenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Elektrode (45) praktisch koinzident mit einer Äquipotentialfläche ist, deren Wert im Bereich von 1 bis 15 % des Potentials zwischen Kathode und Anode liegt.

12. Röntgenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

a) eine Target-Anode (14),

b) eine von der Anode beabstandete Elektronen-Emissionseinrichtung (15) zur Erzeugung eines Strahls von Elektroden zum Aufprall auf die Anode und zur Erzeugung von Röntgenstrahlung

c) eine erste Elektrodeneinrichtung (30) benachbart zur Emissionseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Nachbarschaft der Emissionseinrichtungen,

d) wobei die Anode (10, 14) noch Einrichtungen zum Anschluß an eine positive Potentialquelle zur Beschleunigung der Elektronen und zur Erzeugung eines elektrischen Feldes mit bestimmbaren Äquipotentialflächen zwischen der Emissionseinrichtung (15) und der Anode (10) besitzt,

e) eine zweite Elektrodeneinrichtung (45), die zwischen die erste Elektrodeneinrichtung (30) und die Anode (10) im wesentlichen quer zu dem Laufweg des Elektronenflusses von der Emissionseinrichtung zur Anode angeordnet ist und eine

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Öffnung zum Durchgang des Strahls besitzt, wobei die zweite Elektrodeneinrichtung eine Oberfläche im wesentlichen gleichverlaufend mit einer ausgewählten Äquipotentialfläche enthält, wobei bei Anlegen eines Potentials an die zweite Elektrode (45), das positiv bezüglich der Emissionseinrichtung (15) ist und einen Wert entsprechend einem ausgewählten Äquipotential besitzt, und die Laufbahnen der Elektronen in dem Strahl von der zweiten Elektrode praktisch unverändert sind.

13. Röntgenröhre nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß sie enthält:

a) Einrichtung zur selektiven Zuschaltung eines positiven Potentials relativ zur ersten Elektrode (30) und zur Emissionseinrichtung (15) an die zweite Elektrode (45) zur Erzeugung eines Elektronenflusses von der Emissionseinrichtung (15) zur Anode (10) und

b) eine Einrichtung zur selektiven alternativen gleichzeitigen Zuschaltung eines negativen Potentials relativ zur Emissionseinrichtung (15) und zur ersten Elektrode (30) und an die zweite Elektrode (45) und zur Sperrung des Elektronenflusses.

14. Röntgenröhre nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die Elektroden-Emissionseinrichtung (15) mindestens zwei Elektronenemitter (33, 34) umfaßt, welche der ersten Elektrode (30) zugeordnet sind, und

b) ein längliches leitendes Element (51), das sich über die öffnung erstreckt und elektrisch mit der zweiten Elektrode (45) verbunden ist, wobei dieses längliche Element praktisch koinzident mit der ausgewählten Äquipotentialfläche ist.

15. Verfahren zur Steuerung der Brennfleckgröße des Elektronenstrahls in einer Röntgenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

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a) es wird ein positives Potential an dem Anoden-Target (1O₁ 14) bezüglich der Elektronen-Emissionseinrichtung (15) der Röhre zum Aufbau eines elektrischen Feldes zwischen den beiden angelegt, das bestimmbare Äquipotentialflächen besitzt, die in ihrem Wert durch Prozentanteilen der angelegten Spannung entsprechen,

b) eine erste, das elektrische Feld formende Elektrode (30) wird zwischen den Elektronenemitter (33, 3*0 und die Anode (10, 14) eingefügt und auf praktisch dem gleichen Potential wie der Emitter (33, 3²O gehalten,

c) eine leitende Steuerelektrode (45) mit mindestens einer Öffnung in derselben wird praktisch koinzident mit einer ausgewählten Äquipotentialfläche eingefügt,

d) an der Steuerelektrode (45) wird ein Potential angelegt, das positiv bezüglich der Emissionseinrichtung (15) und der ersten Elektrode (30) ist_; und zwar in einer solchen Weise, daß bei Entsprechung des Wertes der positiven Spannung mit dem ausgewählten Äquipotential die Laufbahnen der Elektroden nicht verändert werden, wenn sie durch die öffnung durchtreten, und

e) das an der Steuerelektrode (45) angelegte Potential wird auf verschiedene andere positive Potentiale zur Veränderung der Größe des Brennflecks auf der Anode (14) ' eingestellt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß das positive Potential an der Steuerelektrode (45) aufgehoben und sofort ein negatives Potential, bezogen auf die Emissionseinrichtung (15) und die erste Elektrode (30), angelegt wird zur Sperrung des Elektronenflusses von der Emissionseinrichtung (15) zur Anode (14).

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17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß eine Änderung der Brennfleckgröße unabhängig von dem angelegten Anodenpotential durch Änderung des positiven Potentials an der zweiten Elektrode (^5) ermöglicht wird, wobei die Emissionsfähigkeit der Emissionseinrichtung (15) auf einem vorbestimmten Wert begrenzt wird.

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